托里县自古地处西域，秦汉时期，县境属匈奴、塞种、乌孙等诸多民族的游牧之地。西汉时期属西域都护府。东汉时期，汉将窦先大破匈奴，鲜卑族转据其地，县境属鲜卑政权的牧场。魏晋南北朝时期，先后属柔然族政权和突厥汗国。隋时属西突厥汗国。
唐贞观二十三年（649），唐置瑶池都督府，隶于安西都护府，托里受其管辖。西辽延庆元年（1124），耶律大石在叶密立称帝，建元延庆，托里区域属西辽统辖。蒙古太祖二十一年（1227），托里属成吉思汗三子窝阔台的封地。明万历三十五年（1607），托里属土尔扈特部游牧地。清乾隆二十七年（1762），托里受伊犁将军府管辖。
民国7年（1918）年，托里属额敏县辖地。
民国34年（1945），属“三区”革命政府塔城专员公署额敏县管辖。
民国38年（1949）4月30日，从额敏县析出成立克烈半县，属“三区”革命政府塔城专署。县人民政府设在磨房（今托里镇）。
1950年7月，克烈半县改称克烈中心区，隶于塔城专区。
1952年10月，撤销克烈中心区，成立托里县。中国共产党托里县委员会、托里县人民政府成立。
1954年9月，伊犁哈萨克自治州成立，托里县隶于伊犁哈萨克自治州塔城专区。
1956年4月1日，托里县人民政府改称为县人民委员会。
1970年3月26日，成立托里县革命委员会。
1981年7月，撤销托里县革命委员会，恢复托里县人民政府。
据《西域水道记》，托里为蒙古语，意为“镜子”，因境内泉水清亮如镜而得名。原名托里布拉克，意为镜泉。有泉，圆如明镜，以泉得名。
清乾隆三十一年（1766年）安设从库尔喀喇乌苏到塔尔巴哈台共10处军台，有托里布拉克腰台。后设托里驿。托里原属额敏县，1950年以额敏县八、九、十三等三个区的行政区域成立托里中心区。
1952年经中央批准，从额敏县析置建托里县。以后隶属塔城专区、塔城地区。
1956年置托里镇。
2000年，托里县辖3个镇、4个乡：托里镇、铁厂沟镇、庙尔沟镇、阿合别里斗乡、多拉特乡、乌雪特乡、库普乡。根据第五次人口普查数据：全县总人口79882人，其中：托里镇 19371人、铁厂沟镇 10744人、庙尔沟镇 5064人、多拉特乡 9711人、乌雪特乡 8812人、库甫乡 8923人、阿合别里斗乡 4530人、加尔巴斯农场虚拟乡 703人、铁斯巴汗牧场虚拟乡 3771人、喀拉托别牧场虚拟乡 3486人、也格孜库勒牧场虚拟乡 2488人、兵团一七零团虚拟乡 2279人。
