公元前350年，秦孝公在此筑城立闕，并建都于此。

因“地處九嵕山之南、渭水之北，山水俱陽”故名咸陽。

西周為京畿，東周時封于秦。

公元前221年，秦始皇統一中國后，咸陽仍為都城，在咸陽置內史，統轄關中各縣。

秦末，項羽入關，廢除郡縣制，恢復分封制。

將秦內史和上郡的部分地區分成雍、翟、塞3國。

漢高帝二年（前205年），更秦內史地為渭南、河上、中地3郡，九年復為內史，改咸陽為新城。

武帝建元六年（前135年），以長安為中心，分置左、右內史。

長安以東為左內史，長安以西為右內史。

武帝元鼎三年（前114年）又改咸陽為渭城，置渭城縣。

太初元年（前104年），改長安以東為京兆尹，渭城以西為右扶風，長陵以北為左馮翊，謂之“三輔”。

東漢末年，在關中及甘肅置雍州。

三國魏又分河西為涼州，隴右為秦州；在關中，改京兆尹為京兆郡，右扶風為扶風郡，左馮翊為馮翊郡。

又分扶風、安定2郡，在漆縣置新平郡。

西晉遷扶風郡治于池陽，在槐里置始平郡。

分美陽置好畤縣。

改栒邑為汾邑，鶉觚改屬安定郡。

十六國及南北朝時期，境內先后經歷前趙、后趙、前秦、后秦、北魏、西魏、北周等朝代更替，郡縣廢置繁雜。

后趙太和二年（329年）在關中復置雍州，分始平和長安，在古渭城置石安縣。

前秦苻健，又恢復司隸校尉，前秦皇始二年（352年），置咸陽郡，在咸陽僑置靈武縣。

隋開皇三年（583年）撤銷咸陽郡。

唐代，在關中設京畿道，武德元年（618年）分涇陽、始平置咸陽縣，五代末，咸陽縣屬京兆府。

北宋在陜西及甘肅部分地區置永興軍路，咸陽屬京兆府。

金代，改永興軍路為京兆府路，咸陽縣仍屬京兆府。

元代，在陜西置行中書省，改京兆府路為奉元路。

咸陽縣屬奉元路。

明代，改奉元路為西安府。

咸陽縣屬西安府。

清代仍屬西安府。

1913年咸陽屬關中道轄。

1935年～1940年，境內置有第十、第七兩個督察區和第二、第九兩個督察區的轄地。

第十行政督察區，公署設咸陽縣中山街。

1935年冬，中央工農紅軍長征到達陜北后，成立了蘇維埃中央政府西北辦事處，在陜甘邊蘇區栒邑縣馬欄鎮設關中特區，1940年，關中特區改為關中分區。

1948年6月至1949年9月，關中各縣相繼解放。

與此同時撤銷關中分區，在市境設置三原、咸陽、邠縣三個分區。

?1950年5月，撤銷三原、邠縣分區，咸陽分區改為咸陽專區。

分區轄咸陽、興平、鄠縣、盩厔、高陵、三原、涇陽、淳化、醴泉、栒邑、富平、耀縣、銅川13縣。

1952年12月分咸陽縣城區置縣級咸陽市。

1953年撤銷咸陽專區。

1958年12月，咸陽縣并入咸陽市。

1961年10月復設咸陽專區，轄咸陽市及興平、鄠縣、盩厔、高陵、三原、涇陽、淳化、醴泉、乾縣、永壽、栒邑、邠縣、長武13縣。

1964年9月10日，經國務院批準，改醴泉為禮泉、栒邑為旬邑、邠縣為彬縣。

1966年，咸陽市劃歸西安市。

1969年，咸陽專區改名咸陽地區。

1971年咸陽市復屬咸陽地區。

1984年，撤銷咸陽地區，設立咸陽市，為省轄市。

將原地區所屬的高陵、周至、戶縣劃歸西安市，將原寶雞地區的武功縣、楊陵區劃歸咸陽市。

原縣級咸陽市改為秦都區，咸陽市轄秦都、楊陵2區及武功、興平、涇陽、三原、禮泉、乾縣、永壽、彬縣、長武、旬邑、淳化11縣。

1986年12月，以市區樂育路為界，分秦都區東部置渭城區。

1993年6月，撤銷興平縣，設縣級興平市。

1997年7月，國務院決定建立楊凌農業高新技術產業示范區，示范區管委會為省政府直屬派出機構，享有地市級行政管理權、省級經濟管理權和部分省級行政管理權。

2018年5月，撤銷彬縣，設立縣級彬州市，由省直轄，咸陽市代管。