秦汉时期为月氏和乌孙游牧地。
汉宣帝神爵三年(前59年)，属“西域都护府”。
西魏大统十七年(551年)，原游牧于叶尼塞河、阿尔泰山一带的突厥族建立突厥汗国，博尔塔拉属其辖境。
隋开皇二年(582年)，突厥分裂，博尔塔拉属西突厥。
唐贞观二十三年(649年)，属瑶池都督府统辖。
唐显庆三年(658年)，属双河都督府管辖。
自此，博尔塔拉以“双河”的名字出现于史册。
唐太宗诗句“乳海池京邑，双河沿帝乡”(《文苑英华》卷167)。
唐至德年间(756-758年)，为葛逻禄人游牧地。
唐开成五年(840年)后，样磨、葛逻禄、回鹘等部正式建立喀拉汗朝，博尔塔拉在其领域之内。
宋嘉定十一年(1218年)，成吉思汗灭西辽，征服西域，博尔塔拉归其管辖。
宋淳祐十二年(1252年)，蒙哥汗为窝阔台汗后裔划分封地疆界，将包括今博尔塔拉在内的伊犁河流域至阿姆河的广大地区封为窝阔台汗的后裔们。
元中统五年(1264年)，忽必烈为统治西北地区，在阿力麻里(今伊犁霍城附近)设行中书省，博尔塔拉隶阿力麻里行中书省管辖。
《元史·列传》第一次把这里称为“博落脱儿”，这也是“博尔塔拉”这一地名形成的开始。
大德十年(1306年)，察合台后裔笃哇尽收海都生前所占察合台汗国领地，博尔塔拉亦成为察合台汗国领地。
明永乐至宣德年间，察合台后王歪思汗西迁阿力麻里，称为亦力把里，博尔塔拉为其统辖。
明万历十五年(1587年)，蒙古族瓦剌部和硕特巴尕斯的牧区在塔尔巴哈台山脉西部额敏河和伊犁河沿岸一带，博尔塔拉属瓦剌部游牧地。
崇祯十六年(1643年)，准噶尔首领巴图尔浑台吉征服托克马克地区及阿拉套山哈萨克部落。
博尔塔拉归蒙古准噶尔部管辖。
清乾隆二十七年(1762年)，清政府设伊犁将军府，总理南北两路军政事务，博尔塔拉属伊犁将军府管辖。
乾隆二十七至二十九年(1762-1764年)，清政府从河北张家口调察哈尔官兵携眷分别驻防在哈布塔盖、博罗塔拉河(博尔塔拉河)、赛里木湖等地。
乾隆三十六年(1771年)，蒙古族土尔扈特部自伏尔加河流域归来，西路一旗被安置在精河一带，归伊犁将军节制。
乾隆四十八年(1783年)，在晶河筑新城，改典史为粮员，隶乌鲁木齐都统管辖。
光绪十一年(1885年)，改粮员为巡检，隶库尔喀喇乌苏厅。
光绪十四年(1888年)、精河改设抚民直隶厅，隶镇迪道。
光绪二十八年(1902年)、精河厅改隶伊塔道。
1913年4月，精河直隶厅改为精河县。
1914年，察哈尔领队大臣改为领队官，隶新疆都督节制。
1920年，由精河县析置博乐县。
1942年，由博乐县析置温泉县。
三县建置至此形成、隶属伊犁行政长公署。
1945年2月，三区政府成立博乐总管府，7月又改为博乐县。
1954年7月13日，成立专署级博尔塔拉蒙古族自治区，辖博乐、精河、温泉3县。
1955年2月20日，博尔塔拉蒙古族自治区改称博尔塔拉蒙古自治州。