西漢時期置攸縣、茶陵、容陵3縣，并有臨湘、湘南縣地，俱屬長沙國。
東漢時期屬長沙郡，并析臨湘縣置醴陵縣。
三國吳時析臨湘、湘南縣置建寧縣，與攸縣、醴陵縣俱屬長沙郡；析湘南縣置湘西縣，屬衡陽郡；省容陵縣置陰山縣，與茶陵縣俱屬湘東郡。
南朝時期梁析陰山縣置湘潭縣，治今攸縣西部，屬湘東郡。
南朝梁、陳間改攸縣稱攸水縣。
隋代廢醴陵縣入長沙縣，并湘西縣入衡山縣，屬潭州或長沙郡；省茶陵、攸水、陰山、建寧4縣入湘潭縣，屬衡州或衡山郡。
唐武德四年(621)，析長沙縣置醴陵縣，屬潭州；并置南云州，析置茶陵、安樂、新興3縣；析湘潭縣置攸縣、陰山縣。
貞觀元年(627)，廢南云州，省茶陵、安樂、陰山、新興4縣入攸縣并劃屬衡州。
圣歷元年(698)，析攸縣復置茶陵縣。
天寶八年(749)，今株洲市區和株洲縣為湘潭縣地，與醴陵縣俱屬長沙郡，后屬潭州；攸縣、茶陵縣屬衡陽郡，后屬衡州。
五代為楚潭州長沙府醴陵、攸縣、茶陵和湘潭4縣地。
北宋時期為潭州醴陵、攸縣和湘潭3縣地，以及衡州茶陵縣。
南宋紹興九年(1139)，升茶陵縣為茶陵軍，嘉定四年(1211)，析茶陵軍置酃縣。
元代為天臨路醴陵州、攸州和湘潭州地，以及衡州路酃縣。
明代為長沙府醴陵縣、攸縣、茶陵州和湘潭縣地，以及衡州府酃縣。
清末一度設株洲廳。
1913年，茶陵州改為茶陵縣，與攸縣、醴陵縣等俱屬湘江道，酃縣屬衡陽道。
1937年，為第一行政督察區醴陵和湘潭縣地，以及第二行政督察區攸縣、茶陵、酃縣。
1949年，為長沙專區醴陵和湘潭縣地，以及衡陽專區攸縣、茶陵、酃縣。
1951年6月，設株洲市（縣級），轄湘潭縣的株洲鎮等13鄉鎮及荷花鄉的5個村，屬長沙專區。
1952年，改屬湘潭專區。
1953年5月，株洲市改為省轄市（縣級），由湘潭專區代管。
1956年4月，株洲市升為省轄地級市。
1959年6月，設中心、清水塘、田心、荷塘鋪、董家塅和郊區6區。
1961年，復置酃縣，屬湘潭專區。
1965年4月，析株洲市的部分行政區域設立株洲縣。
1968年，湘潭專區改稱湘潭地區。
1970年1月，撤銷中心區、清水塘區、田心區、荷塘鋪區和董家塅區，設立東區、南區和北區。
1983年7月，將湘潭地區醴陵、攸縣、茶陵、酃縣4縣劃入株洲市。
1985年5月，醴陵縣撤縣立市（縣級）。
1994年4月，酃縣更名為炎陵縣。
1997年5月，撤銷東區、南區、北區和郊區，調整設立荷塘區、蘆淞區、石峰區和天元區，代管縣級醴陵市，市政府駐地天元區。