密云地区是远古人类活动的重要地区。据黄土梁村旧石器时代早期、松树峪村旧石器时代中期、东智村旧石器时代晚期等三处旧石器时代遗址中发现的砍砸器、削刮器、切割器等旧石器考证，距今约10万年前，密云地区已有人类活动。据燕落寨、坑子地、董各庄、龟脖子、山安口、南石城、老爷庙等雪山文化遗址出土的新石器、陶器等器物考证，约6000年前，密云地区已有人类居住。

约4100年前，舜请尧流放共工于幽陵，居共城，即今不老屯镇燕落村南。《史记·五帝本纪》载：舜“请流共工于幽陵”。《括地志》载：“故龚城在檀州（今密云）燕乐县。故老相传，舜流共工于幽州，居此城。”《昌平山水记》载：“共城在（密云）县东北五十里，亦作龚城。”

据燕落寨、转山会等多处夏家店下层文化遗址考证，约4000年前，与中原夏代同时，密云地区进入奴隶社会。据凤凰山商代古墓及出土的黑色陶器考证，约3700年前左右，密云地区为商朝领地。

西周初期，密云地区属蓟国。燕国并蓟国后，密云属燕国。

春秋至战国时期，密云地区属燕国。燕昭王二十九年（前283），设置渔阳郡，郡治在今十里堡镇统军庄村南的南城子。因郡治位于渔水（今白河）之阳（北），故称“渔阳”。这是密云地区最早的行政建置。

秦始皇二十二年（前225），设置渔阳郡渔阳县，为密云县建县之始。县治与郡治同设于统军庄村南之南城子，现密云全境归其管辖。

西汉时期密云地区属渔阳郡渔阳、犷平、厗奚县。王莽建新朝，改渔阳郡为通潞郡，改渔阳县为得渔县，厗奚为敦德县，犷平为平犷县。

东汉时期密云地区恢复渔阳郡和渔阳、犷平、厗奚县建置。渔阳郡治一度徙治于潞（今通州境内），后又迁回原址。犷平县迁至蓟州之西。

三国时期，密云地区为魏地，魏武帝省渔阳。文帝复置。密云地区属渔阳郡之渔阳县。魏黄初元年（220）废厗奚县。

北魏皇始二年（397），置密云县，县治在今河北省丰宁县大阁镇东北南关村。县治南15公里处有密云山（今云雾山），县名来自山名。

东魏元象元年（538），杜洛周起义军攻陷安州，安州所属之密云郡、安乐郡、广阳郡以及所属之密云、要阳、白檀、安市、土垠、燕乐、方城、广兴8县南迁，寄治渔阳县境内。密云县治迁至今县城所在地。

北齐废渔阳县入密云县；废广阳郡，将大兴、方城二县并入燕乐县；废密云郡，将要阳、白檀二县并入密云县；又废土垠入安市。密云地区为安州安乐郡之密云、燕乐、安市三县分辖。

北周改安州为玄州（元州），废安市县入密云县。密云地区为玄州安乐郡之密云、燕乐二县地。

隋开皇三年（583）废安乐郡，六年（586）徙玄州于今天津蓟县。

隋开皇十八年（598），于旧玄州地置檀州，辖密云、燕乐二县。大业三年（607年），废州设郡，改檀州为安乐郡。密云地区为安乐郡之密云、燕乐二县地。

唐武德元年（618），废郡设州，改安乐郡为檀州。长寿二年（693），州址迁今县城。天宝元年（742），改檀州为密云郡。乾元元年（758）改密云郡为檀州，密云地区为檀州之密云、燕乐二县地。

五代时期，后梁乾化三年（913），废燕乐县入密云县。密云境内为檀州密云县地。后唐因之。

后晋天福元年（936），晋主石敬瑭割幽云十六州予契丹，檀州为十六州之一，自此密云地区属辽地。契丹会同七年（944），契丹军破定州行唐县，徙其民于檀州，设10寨居住，仍称行唐县，县治在今巨各庄镇焦家务村官道沟，密云地区为辽析津府檀州之密云、行唐二县地。

北宋宣和五年（1123），金归还涿、易、檀、顺、景、蓟6州24县于宋。宋改檀州为横山郡，改行唐为威塞。密云地区为宋横山郡之密云、威塞二县地。宣和七年（1125），金收回6州24县地，仍称横山为檀州，威塞为行唐。金天会四年（1126）废檀州，废行唐县入密云县。密云县归中都路顺州管辖。金末复置檀州，以密云县入檀州。

元太祖十年（1238），檀州及所领密云县隶属燕京路总管大兴府，后废密云县。元世祖至元二十一年（1284），置大都路总管府，檀州属之，后复置密云县。

明洪武元年（1368）十一月，省密云县入檀州，十二月复置密云县，省檀州入密云，属北平府，并分密云、昌平二县地复置怀柔县。洪武五年（1372），设密云中卫于密云县城。洪武十二年（1379），置古北口守御千户所，三十年（1397）改为密云后卫。永乐元年（1403），密云县改属顺天府。正德元年（1506），密云县改属昌平州。嘉靖二十九年（1550），置蓟辽总督，驻密云县城。

清初，密云县仍属昌平州。康熙四年（1665），裁密云中卫、后卫，设中卫里。康熙二十七年（1688），改属顺天府北路厅。雍正元年（1723），设提督，驻古北口柳林营。雍正六年（1728），直属顺天府。

1912年中华民国成立，密云县仍属顺天府。1914年改顺天府为京兆地方，密云县属之。1928年改京兆地方为北平市，密云县改隶河北省。

1933年5月，长城抗战失败，密云县被划入“非武装区”，属蓟密行政督察专员区。1935年11月25日伪“冀东防共自治委员会”成立，12月25日改称为“冀东防共自治政府”，密云县属之。1937年8月，日军完全占领密云，12月隶伪河北省冀东道。1940年7月，改隶伪河北省燕京道。

1938年6月，八路军第四纵队挺进密云，于密云、滦平、昌平三县交界地区建立昌（平）滦（平）密（云）联合县，密云县西部地区属之；于密云、平谷、蓟县三县交界地区建立密（云）平（谷）蓟（县）联合县，密云县东南部地区属之。10月，二联合县撤销。

1940年4月，晋察冀边区建立蓟（县）平（谷）密（云）联合县，隶边区冀东办事处，密云县潮河东地区属之。1940年11月，蓟平密联合县西北办事处扩建为平（谷）密（云）兴（隆）联合县，密云县潮河东地区为第三区，隶冀东十三专署。1942年11月，平密兴联合县改称平（谷）三（河）密（云）联合县，密云县潮河东地区仍为第三区，隶冀东十三专署。

1940年6月，晋察冀边区建立丰（宁）滦（平）密（云）联合县，密云县潮河西地区属之，隶边区平北专署。1943年11月，丰滦密联合县划归冀东十四专署。1945年5月，重新划回平北专署。

1943年7月，平三密联合县第三区扩建为承（德）兴（隆）密（云）联合县。密云县潮河东地区属之，隶冀东十四专署。

1945年9月，抗日战争胜利。国民党政府军进入密云，在原日伪军控制区建立密云县政府，隶河北省冀东道。

1945年11月，承兴密联合县撤销。在密云县潮河东地区建密东办事处，仍隶冀东十四专署。

1946年6月，丰滦密联合县所属密云县潮河西地区与密东办事处所辖潮河东地区合并，恢复密云县建制，隶属冀东十四专署。

1947年2月，密云县复分为东西二县，潮河东地区建密云县，隶冀东十四专署；潮河西地区建乙化县，隶平北专署（后改冀察专署）。

1948年12月5日，密云县城解放。1949年8月，密云、乙化两县合并，仍称密云县，隶河北省通县专署。

1958年4月，河北省通县专署撤销，密云县改隶河北省承德专署。

1958年10月，密云县划归北京市管辖。

2015年10月13日，经国务院批准，撤销密云县，设立密云区。