据历史记载，翁牛特地区曾是商、东胡、匈奴、乌桓、鲜卑、库莫奚、契丹、蒙古等北方少数民族繁衍生息之地。夏、商周至春秋时期，活动在这一带的主要是商族和东胡族，行政区划属传说中古代中国九州中之冀州。
翁牛特旗境地，自春秋至秦为东胡地，西汉为乌桓地，东汉为辽西鲜卑地。魏为东部鲜卑地。西晋属鲜卑宇文部，东晋西境为库莫奚地，东境为契丹地。隋为契丹地。居为松漠都督府地。辽置匡义军节度，属上京道。
辽乾亨三年（981年）设永州军观察，隶彰愍官，统长宁、义丰、慈仁三县。辽太祖在永州置“南楼”，为著名契丹四楼之一。太祖后诸帝冬月行帐驻此之广平渡。契丹四楼谓国家核心之所在。今本旗新苏莫苏木境内存永州遗址。辽统和十三年（995年）设丰州，为头下军州，后名澄州。今之乌丹，乃辽丰州故地。金改永州为长宁县，属临演府路。改澄州为全州，置全州盘安节度使，州治安丰，辖卢川县和静封县。
元为弘吉刺领地，鲁王分地。元贞元年（1295年），囊加真公主、济宁王蛮子台，请以应昌路东南700里驻冬之地建城邑，仍复其名曰全州。大德元年（1297年）2月升全州为全宁府，大德七年（1303年）又升为全宁路，隶中书省。其所领全宁县包含今翁牛特旗、巴林左、右两旗及松山、红山两区的部分地方。全才、应昌是上都（开平）后援城市，其经济活动直辖于皇室后族，为元朝北方经济、军事重镇。
明洪武二十一年（1338年）置全宁卫。治所在今翁牛特旗乌丹镇，以捏怯来为指挥使。后废并入朵颜卫。（朵颜卫治所在今乌敦套海镇内）。
后金天聪六年（1632年），翁牛特部逊杜棱、栋岱青率部归附后金。天聪八年（1634年），今旗境定为翁牛特部牧地。清崇德元年（1636年），皇太极分叙外潘蒙古诸贝勒军功，赐栋岱青多罗达尔汗岱青号，世袭，主翁牛特左翼，佐领三十八。清崇德四年（1639年）八月，汉、奈曼、扎鲁特、巴林、阿鲁科尔沁、翁牛特6部9旗基今翁牛特海拉苏至哈达图一带会盟。后确定会盟地点为昭乌达（位于西拉沐论河和新开河交汇之处，清代属地翁牛特）。翁牛特左翼有三任扎萨克会盟副盟长、助理盟长。清雍正元年（17）至光绪三十三年（1908年）翁牛特旗先后隶属于热河厅、八沟厅、乌兰哈达厅、赤峰县、直隶州。
民国3年（19）至民国（1929年）翁牛特旗先后隶属热河道、热河省管辖。
民国（1931年），设全宁设治局，领全宁县。后全宁设治局停办，乌丹划为赤峰县第六区。
伪康德元年（1934年）翁牛特旗划归伪兴安西省管辖。
1937年划归热河。西部地区称乌丹县，亦归热河。伪康德六年（l939年），乌丹县并入翁牛特左旗。
1946年9月，乌丹以西设乌丹县。以东为翁牛特旗左旗，同属热中分区。
1946年5月，翁牛特左旗易名为翁敖联合旗。
1946年12月，以乌丹为中心设冀察热辽二十二分区，辖乌丹、赤峰、赤西、围北4县和翁敖联合旗。1947年11月撤销，翁敖联合旗和乌丹县并入十九分区。
1949年5月，翁牛特旗、乌丹县改由热河省直辖。1956年。热河省建制撤销，翁牛特旗、乌丹县划归内蒙古自治区，属昭乌达盟。同年6月，乌丹县并入翁牛特旗。
1969年8月，昭乌达盟划归辽宁省，翁牛特旗亦划归辽宁省。
1979年7月，昭乌达盟复归内蒙古自治区，翁牛特旗亦复归内蒙古自治区。
1983年11月，昭乌达盟建制撤销，翁牛特旗归赤峰市管辖至今。
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