5000年前，据《 史记·五帝奉纪》 记载，中华民族人文始祖黄帝、炎帝和蚩尤都曾在今张家口一带活动。黄帝先是在阪泉(今河北怀来)与炎帝打了三仗，炎帝战败，部族并入黄帝部落。之后，蚩尤带领九黎部众由南向北发展，与黄帝族发生涿鹿之战，蚩尤战败被杀。成就了以黄帝为首的众多部落的大联合，初步奠定了中华民族大一统的人文基础。
夏商时期，今张家口一带由于华夏部族南迁，除桑干河、洋河流域有些小村落外，其他地方人烟稀少。商朝后期，张家口一带成为戎族、狄族活动的地区。其中以牧猎为主的戎族的一支，由今甘陕一带东迁至壶流河一带，并吸收中原文化的精华，在今蔚县一带建立了奴隶制政权，国号代，并在战国七雄称王之前，就自称为代王。古代国是今张家口市境建立的第一个奴隶制政权。
春秋战国时张家口北为匈奴与东胡居住地，南部分属燕国、代国。春秋时期，今张家口市的蔚县、阳原、怀安、怀来南部、涿鹿南部属古代国地域。今沽源北部、康保北部是匈奴人游猎放牧的草地，史称无终。今张家口市其他区域为燕国北部边境地域。
战国时期，约公元前300年，赵国在旧代国地域设置代郡(治今代王城)，今蔚县、阳原为代郡地域。今阳原开阳堡一带为赵武灵王长子赵章的封地安阳邑。燕国北驱东胡人后，在洋河、桑干河流域设置了上谷郡(郡治沮阳，今怀来县小南辛庄大古城村)。今怀安、万全、张家口市区、宣化、下花园、涿鹿、崇礼、赤城为燕国上谷郡地域。今张北、沽源、康保、尚义为燕上谷郡北部边境地带，时为匈奴、东胡侵扰
秦时南部改属代郡、北部属上谷郡。汉时大部分属幽州地界，小部分属乌桓、匈奴、鲜卑。隋时东为涿郡，西属雁门郡。唐时北属突厥地，桑干都督府，南多属河北道妫州、新州，少属河东道蔚州。
北宋时张家口市皆属辽之西京道。南宋时皆属金之西京路。元时张家口市皆属中书省。明时张家口市除蔚县一带属于山西大同府外，其它皆属京师（治顺天府，北京市）。清时北属口北三厅（多伦诺尔厅、独石口厅、张家口厅），南属宣化府（治今宣化）。
民国二年（1913年）属直隶省察哈尔特别区兴和道和口北道。民国十七年（1928年）设察哈尔省，张家口为省会。抗日战争时期，张家口市多个县成立抗日民主政府，直到抗日战争胜利后，重设察哈尔省建制。
1952年11月察哈尔省建制撤销，察南、察北两专区合并后称张家口专区，划归河北省，张家口市为专区治所，张家口、宣化两市划属河北省。1958年5月张家口市改属张家口专区。1959年5月撤销张家口专区，所辖各县划归张家口市。1961年5月复置张家口专区，张家口市及所属各县隶属之。1967年12月，张家口专区改称张家口地区，辖张家口市，县属不变。
1983年11月，张家口市改为河北省省辖市。1989年12月，张家口市撤销茶坊区、庞家堡区。1992年，经河北省政府批准，张家口市成立高新技术产业开发区（简称“高新区”）。1993年7月1日，张家口地、市合并，称张家口市，实行市管县体制。2003年3月，察北牧场、沽源牧场由河北省农垦局划属张家口市，改为察北管理区、塞北管理区。2004年4月，市委，市政府将高新区和南新区合并为高新区。2010年3月22日，经市委、市政府批准，张家口市产业集聚区成立。2015年7月，国务院批复同意设立河北省张家口可再生能源示范区。
2016年1月27日张家口市部分行政区划调整获国务院批复，同意撤销宣化县、宣化区，设立新的宣化区，以原宣化县大部分、宣化区的行政区域为新的宣化区的行政区域，政府驻地在原宣化区人民政府驻地；撤销万全县、崇礼县，设立万全区、崇礼区，管辖范围和政府驻地不变；将原宣化县的大仓盖镇、东望山乡划归张家口市桥东区管辖，将原宣化县的沙岭子镇、姚家房镇划归张家口市桥西区管辖。张家口主城区面积由868.96平方公里扩大到6377.81平方公里，人口由111.37万人增加到175.42万人。
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