秦朝時期，正藍旗絕大部分屬匈奴轄地。
西漢時期，絕大部分為烏桓統轄區，南部黑城子“造陽”屬上谷郡、漁陽郡轄區。
東漢至西晉時期，為鮮卑所轄。
東晉咸康四年（338年），今旗境屬代政權統轄地。
前秦建元十八年（382年），屬前秦（氐族）統轄地。
北魏登國十年（395年），屬魏政權統治區。
太和二十一年（497年），今旗境屬御夷鎮鎮戍區內。
東魏武定四年（546年），今旗境為柔然與東魏之間拉鋸地區。
北齊武平三年（572年），今旗境為北齊與突厥之間爭奪地區。
隋大業八年（612年），今旗境東部屬奚族統轄范圍；西部屬涿郡轄地。
唐總章二年（669年），今旗境屬桑乾都督府管轄。
開元二十九年（741年），今旗境屬饒樂都督府管轄。
元和十五年（820年），今旗境屬奚與契丹之間拉鋸地區。
五代時期，今旗境屬契丹遼統轄。
遼朝時期，今旗境屬西京道奉圣州管轄。
金天德二年（1150年），金朝建桓州城（歷史上稱新桓州城，在今正藍旗上都音高勒蘇木四郎城嘎查古城遺址），屬西京路桓州管轄。
西北路招討司曾移駐桓州城。
蒙古憲宗六年（1256年），在今旗境修建一座新城，初名開平。
忽必烈“營建城廓宮室于灤水北”（今旗五一種畜場境內雙山水庫北）。
元中統元年（1260年），忽必烈在此即蒙古汗位。
升開平為府，建為國都，并在此設置中書省管理國家事務。
中統四年（1263年），忽必烈正式加號開平府為上都，置上都路，設路總管府。
至順元年（1330年），置有桓州（治所今旗上都音高勒蘇木四郎城嘎查古城遺址），隸屬上都路。
明朝初期，置有開平衛（治所今旗境五一種畜場，原“開平”故地）；原桓州故址設州驛。
萬歷年間，屬察哈爾部管轄地。
清康熙十四年（1675年），編為察哈爾左翼正藍旗，為蒙古八旗之一，隸屬直隸口北道，設置明安牧群。
乾隆二十六年（1761年），正藍旗和明安牧群均隸屬察哈爾都統。
民國元年（1912年），沿襲清制。
民國三年（1914年），正藍旗和明安牧群等歸察哈爾特別區管轄。
民國十七年（1928年），改隸察哈爾省。
民國二十五年（1936年）2月，日偽將察哈爾明安牛羊群（原7個牧場）改建為明安旗；將太仆寺右翼牧群改為太仆寺右旗，隸屬察哈爾省察哈爾盟。
民國二十六年（1937年）秋，察哈爾省淪陷，隨察哈爾盟劃屬偽蒙古聯盟自治政府（1939年改蒙疆聯合自治政府）。
民國三十四年（1945年）8月，日本投降，復歸察哈爾省管轄。
民國三十五年（1946年）3月27日至4月1日，察哈爾盟在明安旗道英海日罕（今正藍旗寶紹代蘇木）召開各界人民代表大會議，選出察哈爾盟民主政府和內蒙古自治運動聯合會察哈爾盟分會（主任），駐道英海日罕。
同期，內蒙古自治運動聯合會正藍旗、明安旗、太仆寺右旗支會相繼成立。
同年12月，正藍旗在那日圖召開人民代表大會議（因戰爭轉移到浩力圖廟），選舉產生旗民主政府（旗長）。
民國三十六年（1947年）5月，正藍旗（那日圖）、明安旗（寶紹代）、太仆寺右旗（黃旗大營子）3旗隨察哈爾盟劃歸內蒙古自治政府領導。
民國三十七年（1948年）11月，將明安旗與太仆寺右旗合并，改建為明安太右聯合旗（駐寶沙代）。
1956年9月11日，撤銷明安太右聯合旗，將其區域（除布拉根陶亥蘇木外）并入正藍旗的行政區域，旗人民委員會由那日圖遷駐黃旗大營子，隸屬察哈爾盟，并將正藍旗扎格斯臺淖爾蘇木的西部地區劃歸正鑲白旗。
1958年9月26日，經國務院批準（同年10月3日，內蒙古自治區人民委員會通知），察哈爾盟撤銷后，將正藍旗劃歸錫林郭勒盟管轄。
1966年，正藍旗人民委員會遷駐上都河浩特（1969年改為上都河浩特鎮）。
1979年，正藍旗革命委員會遷駐敦達浩特鎮。