秦始皇二十六年（前221）設零陵縣，治今全州縣西南，轄今全州、興安、資源、灌陽、靈川等縣地，為今市境二級政區之始，屬長沙郡；其余屬桂林郡地。
西漢元鼎六年（前111）置始安縣，治今桂林市區，轄今桂林城區和陽朔、龍勝、靈川等縣地，和零陵縣同屬零陵郡，其余屬蒼梧郡地。
三國吳甘露元年（265），析零陵郡置始安郡，治始安縣。
郡為地方二級政區，今桂林市境分屬始安、零陵、蒼梧等郡地。
兩晉分屬始安、零陵、蒼梧、桂林等郡地。
南朝梁天監六年（507）分廣州置桂州。
大同六年（540）移桂州州治于始安縣（今桂林市區），今市境仍屬始安、零陵、蒼梧、桂林等郡。
隋為始安、零陵郡地。
唐廢郡置州，為桂州、昭州、永州地。
北宋至道三年（997），桂州為新置的廣南西路治，桂林首次為廣西首府。
南宋紹興三年（1133），升桂州為靜江府，今市境屬廣南西路靜江府、昭州和荊湖南路全州地。
元改昭州為平樂府，改全州為全州路，改靜江府為靜江路，今境屬廣西中書省靜江路、平樂府和湖南中書省全州路地，靜江路為廣西中書省治。
明洪武元年（1368）改靜江路為桂林府，洪武二十七年（1394），湖廣永州府全州、資源、灌陽等縣劃歸桂林府，今市境屬廣西承宣布政使司桂林府、平樂府地，桂林府為司治。
清仍為桂林府、平樂府地，桂林府為廣西省治。
1913年廢桂林、平樂2府，設漓江道，屬廣西省，省會遷邕寧道。
1914年漓江道更名桂林道。
1930年改設為桂林、平樂2民團區。
1934年改為桂林、平樂2行政監督區。
1936年省會遷回桂林。
1939年，劃桂林縣城和附廓置省轄桂林市。
1940年為桂林市和第一行政督察區、第二行政督察區。
1944年為桂林市和第八行政督察區、第十四行政督察區。
1949年12月桂林市為省轄市，成立桂林專區、平樂專區，省會遷南寧。
1958年7月撤銷平樂專區，將其所轄的平樂縣、荔浦縣、恭城縣、灌陽縣劃歸桂林專區，屬廣西僮族自治區。
1960年7月桂林市由桂林專區代管，桂林市和桂林專區合署辦公。
1961年5月，桂林市復為自治區轄市。
1965年屬廣西壯族自治區。
1971年11月，桂林專區改桂林地區，今市境為桂林市和桂林地區。
1981年、1983年，原桂林地區陽朔縣和臨桂縣先后劃入桂林市。
1998年8月，桂林市、桂林地區合并，成立現桂林市。
2013年臨桂縣改臨桂區，市人民政府駐地由象山區遷至臨桂區（文件批復時間為2013年，市人民政府實際于2014年正式搬遷至臨桂區）。
2018年下轄的荔浦縣改為荔浦市。