關於咸陽名稱的由來，一種説法是：古代有：水之北為“陽”，山之南為“陽”，咸陽位於九嵕山之南、渭河之北，山水俱陽，故稱咸陽。“鹹”字意為“皆”、“都是”等。
另外，有人根據《史記》和秦都咸陽出上的陶文，以為商鞅在此置 “咸亨”、“陽裏”，公元前350年，秦孝公將兩名合一，即為咸陽。
咸陽市政區建置始於夏代，前21世紀，市境西部為有邰氏封地，東南部為有扈氏管轄地，北部為畎夷等原始氏族部落，屬禹貢九州之雍州。殷商時期，發展到邰、豳、程、犬方等方國，市區在市境東南部。西周時為畢國，後改岐周，為豐、鎬二京近郊。東周時封於秦，春秋時稱渭陽，至戰國秦孝公十二年（前350年），秦國都城經九次遷徙後，定都咸陽。
秦始皇二十六年（前221年），秦始皇統一中國，設郡縣，在咸陽周邊京畿要地置內史，統轄關中各縣。秦末項羽入關，廢郡縣，恢復分封制，將秦內史和上郡一部分劃為雍、翟、塞3國，是為"三秦"的由來。漢高祖初年，劉邦恢復被項羽焚燬的咸陽，取名新城。武帝年間，因咸陽臨近渭水始更名渭城。
三國時，咸陽的版圖分佈在扶風、馮翊、新平諸郡內。到西晉，咸陽境內有始平郡、新平郡、安定郡、扶風郡及諸郡所轄數縣。東晉南北朝時期，先後有過靈武縣、石安縣、咸陽郡等建置。至北周末，境內有分屬3州轄下的咸陽、扶風、新平、雲陽、馮翊、平涼數郡的十餘個縣。隋初廢除郡制，置州、縣兩級地方政區，後又改州為郡。至隋末，境內有京兆郡的始平、武功、醴泉、上宜、三原、涇陽、雲陽7縣，北地郡的新平、三水2縣，安定郡的鶉觚縣東北部。唐代，在關中設京畿道，改豳州為州，至唐末，境內有京畿道京兆府的咸陽、三原、涇陽、醴泉、雲陽、興平、武功、好畤、奉天9縣，邠州及所轄的新平、三水、永壽、宜祿4縣。五代時至後周末，境內有京兆府的咸陽、興平、涇陽、好畤、醴泉、武功6縣，耀州的三原、雲陽2縣，乾州及所轄奉天縣，邠州及所轄新平、三水、永壽、宜祿4縣。
北宋在陝甘置永興軍路，置淳化縣，撤銷乾州，置醴州。北宋末，境內有京兆府的咸陽、興平、涇陽3縣，耀州的三原、雲陽2縣，邠州及所轄新平、宜祿、三水、淳化4縣，醴州及所轄奉天、武功、醴泉、永壽、好畤5縣。金末，境內有京兆府的咸陽、興平、涇陽、雲陽4縣，耀州的三原縣，乾州及所轄奉天、醴泉、武亭、好畤4縣，邠州及所轄新平、淳化、永壽、宜祿、三水5縣。元代在陝西置行中書省，境內有奉元路的咸陽、興平、涇陽3縣，耀州的三原縣，乾州及所轄醴泉、武功、永壽3縣，邠州及所轄新平、淳化2縣。
明代改奉元路為西安府，洪武四年（1371年）將咸陽遷到渭水驛（即現秦都區所在地），後置三水縣、長武縣。明末，境內有西安府的咸陽、興平、涇陽、三原、醴泉5縣，乾州及所轄武功、永壽2縣，邠州及所轄淳化、三水、長武3縣。清代除將乾州、邠州改省直隸州外，仍延明舊制。
民國元年（1912年），省以下的地方政區改為道、縣兩級，咸陽歸關中道管轄。民國二十四年（1935年），後陝西全省縣以上設10個行政督察區，境內置有第二、第七、第九、第十等4個督察區的轄地。同一時期，中共中央成立蘇維埃中央政府西北辦事處，在今旬邑縣、淳化縣和銅川耀州區一帶設關中特區，民國二十九年（1940年），改為關中分區。民國三十七年（1948年）6月至1949年9月，關中各縣相繼解放，撤銷關中分區，在市境設置三原、咸陽、邠縣三個分區。1950年5月，撤銷三原、邠縣分區，咸陽分區改為咸陽專區。1961年10月，咸陽專區轄咸陽市及興平、鄠縣、盩厔、高陵、三原、涇陽、淳化、醴泉、乾縣、永壽、栒邑、邠縣、長武13縣。1964年9月10日，經國務院批准，改醴泉為禮泉、栒邑為旬邑、邠縣為彬縣。1969年，咸陽專區改名咸陽地區。
關中天水經濟區咸陽成為核心城市之一
1984年，撤銷咸陽地區，咸陽市改為省轄市，高陵、周至、户縣劃歸西安市，原寶雞地區的武功縣、楊陵區劃歸咸陽市，原縣級咸陽市改為秦都區，咸陽市轄秦都、楊陵2區及武功、興平、涇陽、三原、禮泉、乾縣、永壽、彬縣、長武、旬邑、淳化11縣。1986年12月，以市區樂育路為界，分秦都區東部置渭城區。1993年6月18日，經國務院批准，興平撤縣設市（縣級市）。1997年7月，國務院決定建立楊凌農業高新技術產業示範區，示範區管委會為省政府直屬派出機構。
1997年7月，國務院正式批准在楊陵區成立楊凌農業高新技術產業示範區，示範區管委會為省政府直屬派出機構，享有省級經濟管理權限以及地級行政管理權限，楊淩示範區管轄縣級楊陵區，楊陵區從此脱離咸陽市實際管轄區劃，但在正式行政區劃中，楊陵區繼續保持咸陽市轄區不變。
2014年1月，國務院正式批覆設立西鹹新區。咸陽所佔面積657.16平方公里。
2017年1月，西安代管西鹹新區，灃西新城部分區域12.6平方公里由咸陽管轄。
2018年5月4日，陝西省人民政府同意撤銷彬縣，設立縣級彬州市。
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