昔稱“大肚子川”，又稱“草帽頂子”。

清代，隸屬寧古塔副都統管轄。

清光緒二十九年（1903）設置綏芬廳后，屬由義社管轄。

1917年隸屬東寧縣第二區。

1936年將周圍零散居民集中于此建屯，稱大肚川屯。

1939年屬石門子村，1943年改稱大肚川村。

1945年設置大肚川區，1948年10月改為第五區，為區政府駐地。

1956年5月，撤區劃鄉，分設大肚川、團結、石門子3個鄉。

1958年9月，將3個鄉合并成立鋼鐵人民公社。

1959年改為大肚川公社。

1984年，改稱大肚川鄉。

1985年3月，改設大肚川鎮。

名稱沿用至今。