桃花源在夏、商两代属古族百濮。周朝时，楚国侵占百濮属地，将其改为黔中，桃花源即纳属黔中境内。

秦始皇统一六国后，桃花源仍属于黔中郡。

西汉初年改黔中郡为武陵郡，辖13个县，桃花源就在武陵郡的临沅县境内，当时叫乌头村。东汉从临沅县中析置沅南县，桃花源属沅南县。三国、两晋、南北朝，桃花源均属武陵郡沅南县。南北朝宋永初二年（421），东晋大诗人陶渊明写下了千古杰作《桃花源诗并序》，描绘了一个没有纷争、没有剥削、没有压迫、丰衣足食、怡然自乐的理想王国——桃花源。之后，桃花源声名鹊起。隋朝废武陵郡改朗州，合临沅、沅南、汉寿3县为武陵县，桃花源属武陵县。

进入唐朝，桃花源得到了很好的保护与开发。桃花源以道观为主的建筑群已具一定规模。及至宋朝，桃花源得到更大的开发与修复，成为历史上的鼎盛时期。宋太祖乾德元年（963），朝廷把有名胜古迹桃花源的沅江中下游两岸地域从武陵县析出，另置一县，并以“桃源”为县名。其后不久，朗州改名为鼎州，桃源县及境内桃花源遂属鼎州。乾道元年（1165），鼎州改为常德府，桃源县及所辖桃花源随之属常德府。

元代，桃花源因兵燹毁为一片废墟。明清时期，桃花源时修时毁，时兴时废。

新中国成立后，党和政府十分重视桃花源的保护、修复和开发。尤其是改革开放以来，修复和新建了一大批景点景观。桃花源目前为国家风景名胜区、全国重点文物保护单位、国家森林公园、国家AAAAA级旅游景区。