平谷历史悠久，源远流长。早在10万年前的旧石器时代，在平谷这块土地上，便有人类繁衍生息。马家坟、海子、洙水等10余处旧石器时代文化遗址出土的石器，如双刃刮削器、单刃刮削器、双台面石核等30多件，充分说明平谷地区已经进入旧石器时代晚期。上宅、北埝头出土的大量石器、陶器、房屋基址，说明在7000年前，平谷的先民已从事农业生产过着定居生活，泃河流域的一种独具特色考古学文化已经形成，被命名为“上宅文化”。
夏商时期平谷属古燕国。刘家河商代墓葬出土的16件成套青铜礼器与金耳环等金器，表明平谷的先民不仅掌握了制造铜器的技术，也掌握了制造金器的技术。而铁刃铜铖的发现（全国仅发现3件），更证明人们对铁的性质有了初步的认识。周灭商，周武王封召公姓姬名奭（shi,四声）于燕，建立了燕国。平谷属燕地。周显王十四年（前354年），“齐师及燕战于泃水，齐师遁”（《竹书记年》）。
西汉时，汉高祖十二年（前195年）始建平谷县，属渔阳郡，县沿在今山东庄镇大、小北关村南。后元二年（前87年），汉武帝死，遗诏封大司马、大将军霍光为博陆侯，今北城子村东古城遗址即为霍光封地博陆城。西汉中期，县内设盐官。末期，古北口外的滑盐县迁治于博陆城（东汉明帝时改名盐田县，后废入平谷县）。西汉末年，王莽夺取帝位，阶级矛盾激化，农民起义蜂起。北方为农民起义活动地区。更始二十三年（25年），刘秀遣吴汉等10余名将军率军追击尤来、大枪、五幡诸起义军于潞县（今通州）东，又追至平谷决战，有1.3万义军被斩首。义军残部向东退却，后入辽西、辽东后溃散。刘秀军获胜还军蓟城（今北京），遂定河北，刘秀称帝，国号汉，是为东汉光武帝。平谷仍之，县治迁于今平谷城处。西晋初省平谷县，地属燕国潞县。后赵，复置平谷县，县城迁至今通州北小营村，隶属渔阳郡。北魏时省平谷入潞县。要阳县由北内迁，城址在今镇罗营乡上镇村。东魏省。隋时平谷地区属无终县。唐武德元年（618年），设平谷为大王镇，属檀州密云区。后唐清泰二年（935年），石敬瑭割幽、燕16州于契丹，大王镇属契丹。
金天会三年（1125年），金兵破檀州、蓟州至三河，又破宋军于白河，大王镇属金。金大定二十七年（1187年）升大王镇为平峪（同谷）县，平谷县建置恢复，隶属蓟州渔阳郡。金明昌四年（1193年）重修双泉院，金章宗携王妃、公主秋狝，驻于院内。翌年，又于双泉院避暑。贞佑元年（1213年），元兵入古北口，下檀州、顺州、蓟州，平谷县归元朝。至元二十四年（1287年），长春真人邱处机来县内南独乐河村元宝观（延祥观），观有枯柏，扪之复荣。南塘老人张天度作《复生柏》诗，并刻石立碑。至正18年（1358年），农民起义军红巾军东路首领毛贵挥师北伐，进入河北，攻克蓟州、三河、平谷，威逼大都。明初洪武年间，修筑镇罗营、北水峪、南水峪、熊儿寨、鱼子山长城。永乐年间，继续修筑峨嵋山、黄松峪、黑水湾、彰作、将军石关长城。期间，平谷先属北平府蓟州，后改属顺天府蓟州。建文元年（1399年），燕王朱棣发动“靖难之役”，取道通州、平谷、密云等地。永乐二年（1404年），营州中屯卫自塞北迁入平谷县内博陆城。永乐年间，三宝太监郑和下西洋，平谷出夫60名。期间，县内迁来大批山西、山东移民。
隆庆五年（1571年），知县刘爱疏通6渠入?河。万历十三年（1585年），尚宝少卿徐贞明奉旨督垦京畿水田，自水峪寺、龙家务始，垦稻田若干亩。崇祯元年（1628年），后金兵围蓟州，下三河，过平谷，临顺义县城。崇祯十一年（1638年），清兵从密云墙子岭入关，后连克古北口、将军石关，攻克平谷城。清初仍明旧制。顺治元年至康熙六年（1644至1667年），清八旗军士大规模圈占土地，先后两次在平谷圈占平地12万余亩。为反对圈地，顺治六年（1649年）七月，以城西阎家庄、马圈庄为中心，爆发白莲教起义，围攻平谷县城，被知县牟云龙镇压，两村夷为平地，起义失败。康熙二十七年（1688年），设顺天府四路同知后，平谷县属北路厅管辖。康熙四十三年（1704年），建丫髻山万寿道场，为康熙60大寿祝禧。康熙曾两次游丫髻山，并为撰文立碑。乾隆、道光都曾游丫髻山。乾隆八年（1743年），由蓟州属县改为直属顺天府。光绪初年，天主教传入平谷。光绪二十六年（1900年），爆发义和团运动，团民火烧张各庄教堂，攻占平谷县城，捣毁县衙，砸开监狱。后被清政府镇压。
辛亥革命后，民国三年（1914年），顺天府改京兆特别区，平谷为京兆属县之一。民国十七年（1928年）废京兆，县改隶河北省蓟州道。民国二十一年（1932年）9月，在河北省建蓟密行政督察专员区，平谷属之。民国二十四年（1935年）11月，殷汝耕成立伪“冀东防共自治政府”，辖22县，平谷为其一。民国二十七年（1938年）隶伪“河北省冀东道”，民国二十九年（1940年）又改属“燕京道”。
抗日战争时期，八路军第四纵队挺进冀东，1938年6月在镇罗营建密（云）平（谷）蓟（县）联合政府，7月攻克平谷县城，建平谷县抗日民主政府。当年撤走。1940年以后，是以鱼子山、盘山为中心的抗日根据地创建和发展时期。4月在盘山建蓟（县）平（谷）密（云）联合县，7月在鱼子山建西北办事处，辖平谷全境和密云、兴隆一部分。依形势的发展变化，于1940年11月、1942年11月、1943年7月，先后以平谷为中心建立了3个联合县，即：平（谷）密（云）兴（隆）、平（谷）三（河）密（云），属第13专属；平（谷）三（河）蓟（县），先属冀热辽行署第1专署，1945年1月后属冀热辽行署第14专署。1945年9月13日，在抗日军民围攻下，平谷县城解放，平三蓟联合县迁入平谷县城。在八年抗战中，平谷县为国牺牲的烈士555人，有1287名群众惨遭杀害，万余间房屋被烧毁，1121万斤粮食被抢走。1946年3月撤销联合县建置，恢复单一县建置，属冀东行署第14专署。1949年8月，属河北省通州专署。期间，从1946年9月16日至1947年6月16日，国民党军队仅占领平谷县城及其周围44个村庄9个月。
1958年3月，通县专区撤销，平谷县改属河北省唐山专署。同年10月，划入北京市。
平谷县自汉高祖十二年设县以来，历经2000余载，期间，县有撤并，境域多变，然县名一直延续至今。正如民国23年《平谷县志》撰写者王兆元所说：“自古建置都邑，必因山河之形势。平谷南、东、北三面环山，层峦迭嶂，资为屏藩。泃水洳河映带左右，萦回境内，汇于西南，洵天然之疆界。设置县治，远在汉初，迨隋唐以迄有明，虽屡裁省旋仍置县，其终不得而易者，形势使然也。”有人曾戏言：“平谷县的县名就是文物”。
