战国时期，属楚地。三合潭出土的网坠、鱼刺、鱼钩等渔具（考证为战国时期渔具），反映县境在2400多年前即具有开发海洋的渔文化特点。
秦代，今县境属闽中郡。
西汉初，属东瓯王国。武帝建元三年（前138年），东瓯王因闽越国围攻，乃举国迁徙，县境废墟。始元二年（前85年）置回浦县（包括今温州、台州和丽水地），隶属会稽郡，县境属回浦县地。
东汉建武六年，回浦县并入鄞县，县境属鄞县回浦乡。后析出回浦地，建章安县，县境为章安县东瓯乡。后又析出东瓯乡，建永宁县，隶属临海郡，县境为永宁县地。
三国时，属吴国，为临海郡永宁县地。
西晋时仍为临海郡永宁县地。
东晋太宁元年（323年），分临海地立永嘉郡；宁康二年（374年）分永宁地置乐成县，县境属乐成县。
南北朝时，仍隶属乐成县地。
隋朝文帝开皇十二年，乐成县并入永嘉县，县境为地永嘉县。
唐朝武德五年析永嘉县置永宁、乐成两县，县境属乐成县地。其间析、废、置较多。会昌二年（842年）前，乐成县在县境置玉留镇。
五代时属吴越国，隶靖海军。后梁开平二年（908年），改乐成县为乐清县。县境属乐清县。
北宋时，县境为温州府乐清县玉环乡之一部分，隶属两浙路应道军。南宋时改温州府为瑞安府，县境为瑞安府乐清县玉环乡。
元朝时仍为乐清县玉环乡地。
明朝初期仍为乐清县玉环乡。明洪武二十年（1387年），因倭寇扰边，徙居民为内地，今楚门港（漩门港）以南玉环本岛等地全部被迁弃。成化十二年（1476年），析乐清县山门、玉环两乡6都地隶太平县（今温岭市），属台州府（今台州市），县境港北地区归属太平县，港南地被游民私种。
清初，县境港北仍为太平县地，港南仍被游民私种。顺治十八年（1661年），清政府下令撤边海30里，境民全被内迁。楚门半岛地区亦遭迁弃。境内塘塌地废，一片荒芜。清雍正5年，浙江巡抚李卫奏请展复玉环。钦准招徕沿海居民（大部分来自温州、台州两府沿海居民），报荒垦种，展复玉环，境业再衍。雍正六年（1728年），始建玉环厅，隶属温州府（今温州市）。至此，玉环始有独立行政建制。
民国元年（1912年），行道县制，玉环厅改为玉环县，属温处道（今温州市）。
民国十六年（1928年），废道县制，玉环县隶属省行政督察区管辖。玉环所属行政督查区屡有变更。
民国三十七年（1948年），县境属浙江第五行政督察区。
1949年4月7日， 玉环解放。
1949年4月14日，建立中共玉环县委和玉环县民主政府。5月12日，玉环县民主政府改为玉环县人民政府。中华人民共和国建立后，亦称玉环县，属浙江省台州专区（今台州市）。玉环县下辖5个区49个乡镇。
