古為羌地。魏晉南北朝時屬蘇毗王國，隋稱「女國」，唐稱「東女國」，元屬吐蕃等路宣慰司，唐、宋時為吐蕃地，明屬朵甘思宣慰司，明末清初受囊謙王族統轄，隸和碩特蒙古政權，後隸「欽差總理青海蒙古番子事務大臣衙門」，通稱「玉樹25族」，民國初，隸青海辦事長官，旋政隸蒙番宣尉使和甘邊寧海鎮守使。民國六年（1917年）設玉樹理事，民國十八年（1929年）改為玉樹縣，轄今自治州全境。
玉樹古為西羌氂牛種地；隋朝前後為蘇毗和多彌二國轄區，唐時為吐番的孫波如，宋時為黎州屬下的囊謙小邦之地，元朝歸吐蕃等路宣慰司管轄，明朝囊謙五室的貴族僧侶屢被賜號為功德自在宣撫國師；明末清初玉樹各部頭人為青海蒙古和碩特部贈爵為諸台吉；清朝受青海辦事大臣直接管轄，為囊謙千戶領地，下有百戶獨立長等部落，民國時期設置玉樹、囊謙、稱多3縣，統由玉樹行政督督察專員公署管轄，縣之下千百戶制度因襲如故。
1949年10月，青海省人民解放軍軍政委員會駐玉樹特派員辦公處成立。1949年設玉樹專區，專署駐玉樹縣。轄玉樹（駐結古）、稱多（駐周均）、囊謙（駐香達）3縣。1951年12月25日玉樹專區改為玉樹藏族自治區，轄稱多、囊謙2縣；撤銷玉樹縣建制。1952年恢復玉樹縣建制，由玉樹藏族自治區領導。玉樹藏族自治區轄3縣。1953年由玉樹、囊謙2縣西部地區合併設置扎朵縣；轄4縣。1954年原扎朵縣改為雜多縣（駐於玉日本）；由玉樹縣部分地區設治多縣（駐加吉博洛格）；原由省直轄的曲麻萊區改設曲麻萊縣，劃入玉樹藏族自治區；轄6縣。
1955年玉樹藏族自治區改設玉樹藏族自治州，自治州人民委員會駐玉樹縣；轄玉樹、囊謙、稱多、雜多、曲麻萊、治多等6縣。1959年以玉樹、囊謙、雜多、治多4縣部分地區設置江南縣（在長江南岸，駐甘寧生多）；以稱多、治多2縣部分地區設置天河縣（在長江北岸，駐卡隆雲）；轄8縣。1960年江南縣駐地由江南甘寧生多遷駐節綜地區。1962年，撤銷江南縣，併入玉樹縣；撤銷天河縣，併入稱多、曲麻萊2縣；玉樹藏族自治州轄玉樹（駐結古）、稱多（駐周均）、囊謙（駐香達）、雜多（駐於玉日本）、治多（駐加吉博洛格）、曲麻萊（駐色吾溝）等6縣。1977年曲麻萊縣由色吾溝遷駐野倉灘；玉樹藏族自治州轄玉樹（駐結古）、稱多（駐周均）、囊謙（駐香達）、雜多（駐於玉日本）、治多（駐加吉博洛格）、曲麻萊（駐野倉灘）等6縣。
1999年，轄玉樹、稱多、囊謙、雜多、治多、曲麻萊6縣，1鎮、47個鄉，257個村牧委會。
2001年10月15日青海省人民政府青政函[2001]99號文批複：①撤銷囊謙縣香達鄉，設立香達鎮。②撤銷治多縣當江鄉，設立加吉博洛鎮（鎮政府駐地遷至縣政府駐地加吉博洛格）。③撤銷曲麻萊縣東風鄉，設立約改鎮（鎮政府駐地遷至縣政府駐地約改灘）。④撤銷雜多縣結紮鄉，設立薩呼騰鎮（鎮政府駐地遷至縣政府駐地薩呼騰）；撤銷旦榮、查當兩鄉，合併設立查旦鄉（鄉政府駐地設在原旦榮鄉址）。⑤撤銷稱多縣賽河、稱文兩鄉，合併設立稱文鎮（鎮政府駐地設在原稱文鄉址）；撤銷歇武鄉設立歇武鎮；撤銷扎朵鄉設立扎朵鎮；撤銷清水河鄉設立清水河鎮。⑥撤銷玉樹縣哈秀、結隆兩鄉，合併設立隆寶鎮（鎮政府駐地設在原結隆鄉址）。
2006年8月，玉樹州：新增2個鎮，由10鎮35鄉調整為12鎮33鄉，鄉鎮總數（45個）保持不變。
玉樹縣：撤銷下拉秀鄉，設立下拉秀鎮。
稱多縣：撤銷珍秦鄉，設立珍秦鎮。
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