公元前350年，秦孝公在此筑城立阙，并建都于此。
因“地处九嵕山之南、渭水之北，山水俱阳”故名咸阳。
西周为京畿，东周时封于秦。
公元前221年，秦始皇统一中国后，咸阳仍为都城，在咸阳置内史，统辖关中各县。
秦末，项羽入关，废除郡县制，恢复分封制。
将秦内史和上郡的部分地区分成雍、翟、塞3国。
汉高帝二年（前205年），更秦内史地为渭南、河上、中地3郡，九年复为内史，改咸阳为新城。
武帝建元六年（前135年），以长安为中心，分置左、右内史。
长安以东为左内史，长安以西为右内史。
武帝元鼎三年（前114年）又改咸阳为渭城，置渭城县。
太初元年（前104年），改长安以东为京兆尹，渭城以西为右扶风，长陵以北为左冯翊，谓之“三辅”。
东汉末年，在关中及甘肃置雍州。
三国魏又分河西为凉州，陇右为秦州；在关中，改京兆尹为京兆郡，右扶风为扶风郡，左冯翊为冯翊郡。
又分扶风、安定2郡，在漆县置新平郡。
西晋迁扶风郡治于池阳，在槐里置始平郡。
分美阳置好畤县。
改栒邑为汾邑，鹑觚改属安定郡。
十六国及南北朝时期，境内先后经历前赵、后赵、前秦、后秦、北魏、西魏、北周等朝代更替，郡县废置繁杂。
后赵太和二年（329年）在关中复置雍州，分始平和长安，在古渭城置石安县。
前秦苻健，又恢复司隶校尉，前秦皇始二年（352年），置咸阳郡，在咸阳侨置灵武县。
隋开皇三年（583年）撤销咸阳郡。
唐代，在关中设京畿道，武德元年（618年）分泾阳、始平置咸阳县，五代末，咸阳县属京兆府。
北宋在陕西及甘肃部分地区置永兴军路，咸阳属京兆府。
金代，改永兴军路为京兆府路，咸阳县仍属京兆府。
元代，在陕西置行中书省，改京兆府路为奉元路。
咸阳县属奉元路。
明代，改奉元路为西安府。
咸阳县属西安府。
清代仍属西安府。
1913年咸阳属关中道辖。
1935年～1940年，境内置有第十、第七两个督察区和第二、第九两个督察区的辖地。
第十行政督察区，公署设咸阳县中山街。
1935年冬，中央工农红军长征到达陕北后，成立了苏维埃中央政府西北办事处，在陕甘边苏区栒邑县马栏镇设关中特区，1940年，关中特区改为关中分区。
1948年6月至1949年9月，关中各县相继解放。
与此同时撤销关中分区，在市境设置三原、咸阳、邠县三个分区。
?1950年5月，撤销三原、邠县分区，咸阳分区改为咸阳专区。
分区辖咸阳、兴平、鄠县、盩厔、高陵、三原、泾阳、淳化、醴泉、栒邑、富平、耀县、铜川13县。
1952年12月分咸阳县城区置县级咸阳市。
1953年撤销咸阳专区。
1958年12月，咸阳县并入咸阳市。
1961年10月复设咸阳专区，辖咸阳市及兴平、鄠县、盩厔、高陵、三原、泾阳、淳化、醴泉、乾县、永寿、栒邑、邠县、长武13县。
1964年9月10日，经国务院批准，改醴泉为礼泉、栒邑为旬邑、邠县为彬县。
1966年，咸阳市划归西安市。
1969年，咸阳专区改名咸阳地区。
1971年咸阳市复属咸阳地区。
1984年，撤销咸阳地区，设立咸阳市，为省辖市。
将原地区所属的高陵、周至、户县划归西安市，将原宝鸡地区的武功县、杨陵区划归咸阳市。
原县级咸阳市改为秦都区，咸阳市辖秦都、杨陵2区及武功、兴平、泾阳、三原、礼泉、乾县、永寿、彬县、长武、旬邑、淳化11县。
1986年12月，以市区乐育路为界，分秦都区东部置渭城区。
1993年6月，撤销兴平县，设县级兴平市。
1997年7月，国务院决定建立杨凌农业高新技术产业示范区，示范区管委会为省政府直属派出机构，享有地市级行政管理权、省级经济管理权和部分省级行政管理权。
2018年5月，撤销彬县，设立县级彬州市，由省直辖，咸阳市代管。