新中国成立前，汤原县境域狭长，由西北部山地丘陵与东南部沿江平原构成为“三山一水四分田，一草一路与庄园”的地貌格局。

汤原县区域面积，历史上可谓大而无当：清末至民国时期，自西南而东北狭长千余里，史称“地大于一府，可设十县”尽6万平方千米，近国土面积的百分之一；嗣后北大荒逐渐开发设治，本县行政区域几度划出渐小。

汤原地域人类活动历史久远。商周以前为肃慎居地；东汉至三国时期属挹娄；南北朝时属勿吉；隋时勿吉改称靺鞨，本域为黑水部所辖；唐初为河北道铁骊部辖辖境，后为渤海国铁骊府所辖；辽灭渤海后黑水靺鞨改称女真从属于辽，此地居生女真属五国部盆奴里国地；金属上京路蒲峪路屯河猛安辖境；元初为辽阳行省开元路辖境；元中叶以后隶属水达达路桃温万户府；明属奴儿干都司屯河卫管辖；清初，本域为清廷与盛京将军双重治下之宁古塔昂邦章京辖境；康熙元年（1662年），宁古塔昂邦章京升为镇守宁古塔等处将军；雍正十二年（1734年），黑龙江省将军下设呼兰城守尉，汤原县城为其所辖；光绪三十年（1904年）七月，出放官荒，翌年八月，开放汤原街基，设汤旺河招垦局。1906年2月15日正式设汤原县，此为设县治之始。同时，吉林设立依兰府，汤原隶其管辖。

汤原县行政辖属及其区划经历多次变革。设治初为吉林行省所辖，是时地广人稀，境域北抵黑龙江，东至黑龙江与松花江汇合处，南濒松花江，西界铁骊与通北接壤的小兴安岭，西南以小古河为界邻通河县。民国元年（1912年）汤原归属黑龙江省绥兰道，翌年县衙行署改称县知事公署；民国18年（1929年），废道制，本县直隶于黑龙江省为三等县，其间梧桐河以东地方划归萝北县，县域减少大半。日本帝国主义入侵东北建立伪满洲国后，汤原划归黑龙江省管辖，为丙类县，立伪县公署；伪康德元年（1934）实行地方行政机构改革划东北为14省，汤原划属新设之三江省，直至伪满灭亡。伪康德六年（1939）县治中格节河、青黑山一线以东被划出，敌伪另立鹤立县。1945年“八一五”东北解放后，本县先隶属于三江地区行政公署、合江省政府、合江省第四专员公署、松江省政府、黑龙江省政府、黑龙江省合江地区行政公署，现属佳木斯市管辖。

1945年12月，成立兴山市，1947年2月，兴山市（鹤岗市）划出。1952年9月，成立伊春市，从汤原县划出。1952年本县五区（南岔）划归伊春，1957年至1965年北部5个乡镇（鹤立、裕德、永发、吉祥、振兴）曾一度划归鹤岗。现行政区划为4镇、6乡、137个村，县治中心在汤原镇。