武帝元鼎三年（前114），废除代国，复置太原郡。时狼孟县、盂县、汾阳县均隶属于并州刺史部太原郡。新莽时改狼孟县为狼调县。
东汉建武二年（26），改太原郡为太原国，建武十四年（38），废太原国复置太原郡。期间，废汾阳县。狼调县、盂县先后属太原国、太原郡。
汉末，建安二十年（215），原阳曲县（在今定襄县境内）荒废，曹操迁阳曲县民于今太原市北郊区阳曲镇一带新置阳曲县。《中国古今地名大辞典》载：阳曲镇“汉时阳曲故治也“。阳曲县与狼调县、盂县同属太原郡。
西晋泰始元年（265），改太原郡为太原国。太康五年（284），复置太原郡。阳曲县、狼调县、盂县同属之。东晋废盂县，改狼调县为狼孟县。北魏废狼孟县并入阳曲县，隶属肆州永安郡。北周时改属肆州雁门郡。
隋唐两代分合频繁。隋开皇初年，文帝以姓杨恶其曲名，改阳曲县为阳直县，十六年（596）更名为汾阳县，并分置盂县。大业初又废盂县并入汾阳县，大业末改汾阳为阳直县，移治木井城，木井城即今东黄水镇故县村。义宁（618）初，分阳直县地在今县境凌井店一带置抚城县。阳直县、抚城县同属太原郡。唐武德初，改抚城县为乌河县。三年（620），分阳直县地置汾阳县。七年（624），废阳直县，改汾阳县为阳曲县，并在今东黄水镇西、南、北洛阴村一带分置洛阴县。贞观元年（627），李世民将州、县加以并省，乌河县并入盂县（今盂县），洛阴县并入阳曲县。六年（632），燕然山（今蒙古国境内）一带苏农部落少数民族内迁，置燕然县，八年（634），侨置于阳曲境内（今太原西北35公里），十七年（643）并入阳曲县。自此，县境统称阳曲县。
唐初属并州太原郡，开元十一年（723）后属太原府。
北宋太平兴国四年（979），北汉降宋，太宗恶晋阳人民负隅顽抗，毁晋阳城，降太原府为并州军事，移并州治于县界三交寨，不久又移至榆次，七年（982），因榆次“地非要会“，将州治从榆次迁至县南唐明镇，并迁县治于太原城西郭外。熙宁三年（1070），废平晋县入阳曲县。政和五年（1115），复置平晋县。金天会年间，实行路、府（州）、县三级地方行政。太原为府，阳曲县治移入府城，为太原府治所在地，属河东北路太原府。
元世祖二十七年（1290），实行中书省、路、州、县四级建制，阳曲县先后属太原路、
冀宁路，为路治所在地。
明洪武年间，废冀宁路，复置太原府，并承袭元制，设山西为行中书省（后改为山西都指挥司、山西承宣布政使司），治所均驻阳曲县城。清袭明制，改明山西承宣布政使司为山西行省，以阳曲县城为省会，并保留太原府建置，治所均在阳曲县城。太原府隶一州八县，阳曲县为府直隶县，县治所驻县前街（今太原市县前街）。
中华民国初，废除府、直隶州、州的建置，裁府留县，实行省、县两级建置，后又于省、县之间增设道的建置，以道辖县，阳曲属冀宁道，省直辖县，县衙驻府城皇华馆（今太原）。
民国16年（1927），废道。阳曲县为山西省会、一等县。
民国26年（1937）10月，山西全省划为7个行政区（政治区），阳曲县属第四区。11月，日本侵略军侵占太原，民国阳曲县政权移驻河口镇，皇华馆改驻日伪阳曲县政权，并在今黄寨镇黄寨村设阳曲办事处。同年12月，晋察冀边区阳曲县抗日民主联合政府成立，驻杨兴村，隶属山西省第一行政区政治主任公署。
民国27年（1938），阎锡山调整行政区划，阳曲县改属第八行政区。9月，晋察冀边区阳曲县抗日民主联合政府被迫取消。
1940年2月，以同蒲铁路为界，铁路东成立晋察冀阳曲县抗日民主县佐公署（习称东阳曲县），同年改称东阳曲县抗日民主政府，驻今温川乡麻黄沟，隶属晋察冀边区第一专署。铁路西成立晋绥阳曲县抗日民主政府（习称西阳曲县），县政府驻今古交市阁上乡狮子村，隶属晋西北第八专署。次年，西阳曲县划归晋西北第三专区。
1942年9月，东阳曲县东部地区与盂县西部地区合并成立盂（县）阳（曲）县抗日民主政府，县政府先后驻温川乡麻黄沟和盂县铜炉，隶属晋察冀边区第一专署。10月，西阳曲县改属晋西北第八专署。
1943年1月，在东黄水、黄寨、侯村、小返等地组建东阳曲县中心区抗日民主政府。次年2月，改为东阳曲县抗日民主县佐公署，驻今东黄水镇马驼村，隶属晋察冀边区第一专署。秋，晋察冀边区第一专署改称第二专署，东阳曲县抗日民主县佐公署和盂（县）阳（曲）县抗日民主政府改属晋察冀边区第二专署。
1945年2月，东阳曲县抗日民主县佐公署改为东阳曲县抗日民主政府，驻凌井店乡凌井店村，隶属晋察冀边区第二专署。西阳曲县抗日民主政府，驻今古交市阁上乡狮子村（9月后，西阳曲县政府先后改驻今古交市解家滩、县境西庄乡官庄村），隶属晋绥边区吕梁行署第八专署。至此，阳曲县境内出现西阳曲县、东阳曲县、盂（县）阳（曲）县三个抗日民主政府并存的局面。同年8月，民国山西省政府重返太原市，民国阳曲县政府仍驻皇华馆。9月，撤销盂（县）阳（曲）县建制，原盂（县）阳（曲）县所辖地区归东阳曲县管辖，县政府先后驻凌井店、石槽、贾庄、杨家掌、北温川等村，隶属冀晋区第二专署。日伪时期，恢复道制，阳曲县属伪雁门道，道尹公署驻榆次，阳曲县仍为一等县。
1948年8月，经华北人民政府决定，成立晋中行署。东、西阳曲县民主政府合并，成立阳曲县人民政府，治所在今县境高村乡辛庄村。同年11月2日，黄寨解放，3日，阳曲县人民政府迁到黄寨村，隶属晋中行署第一专署。次年3月，晋中行署与太原市人民政府合并，阳曲县改属太原行署第一专署。4月24日，县城（今太原城）解放，阳曲县人民政府接管小组随军入城，在皇华馆接管民国阳曲县政府。9月，山西省人民政府成立，阳曲县改属忻县专署。
1958年，阳曲县划归太原市。此后，阳曲县建置归属再无变化。
