Hồ Bắc có một lịch sử lâu dài, khi khai quật khảo cổ tại Vân huyện, người ta đã phát hiện ra hóa thạch của người Vân Dương (郧阳人) và người Trường Dương (长阳人) thời viễn cổ. Tại di chỉ văn hóa Khuất Gia Lĩnh (屈家嶺文化) đã phát hiện được một số lượng lớn các công cụ bằng đá và đồ gốm thời đại đồ đá mới, phản ánh nền nông nghiệp, đánh bắt cá, săn bắn, thủ công nghiệp của khu vực đã có sự phát triển đáng kể. Từ thời nhà Hạ, văn minh Trung Nguyên đã có ảnh hưởng đến vùng đồng bằng Giang Hán. Đến thời nhà Thương, Hồ Bắc đã được sáp nhập vào cương vực Trung Hoa. Thời Tây Chu, trên địa phận Hồ Bắc là lãnh thổ của nhiều tiểu quốc chư hầu, có thể kể đến là Ngạc, Đặng, Quyền, Nhược (鄀), Tùy (隨), Tằng (曾), La (罗), Vân (郧), Lại (赖), Dong (庸), Đường (唐), Quân (麇), Đam (聃). Đến thời Xuân Thu (770 TCN - 476 TCN), nước Sở nguyên ở Hà Nam ngày nay trở nên lớn mạnh, dần dần thôn tính các nước khác ở phương nam. Đến khoảng cuối thế kỷ thứ VIII-đầu thế kỷ thứ VII, nước Sở đã dời quốc đô từ Đan Dương (丹阳, nay thuộc Tích Xuyên của Hà Nam), đến Dĩnh (郢, nay thuộc Dĩnh Châu của Hồ Bắc); Dĩnh vẫn vị thế là quốc đô nước Sở cho đến năm 278 TCN. Nước Sở đã góp phần mở rộng nền văn minh Trung Hoa xuống phía nam song cũng có nhiều nét văn hóa độc đáo. Từ lưu vực Trường Giang, Sở tiếp tục mở rộng lãnh thổ lên bình nguyên Hoa Bắc. Sở Trang Vương là một trong Ngũ Bá thời Xuân Thu.

Đến thời Chiến Quốc (475 TCN - 221 TCN), Sở là một trong Chiến Quốc thất hùng. Theo thời gian, nước Sở và nước Tần trở thành hai nước có lãnh thổ rộng lớn nhất. Trong các cuộc chiến tranh giữa Sở và Tần, Sở đã để mất nhiều đất đai, đầu tiên là tầm ảnh hưởng tại bồn địa Tứ Xuyên, đến năm 278 TCN, thì để mất vùng lãnh thổ lõi là tỉnh Hồ Bắc hiện nay và phải dời quốc đô khỏi đất Dĩnh. Sở sau đó triệt thoái về phía đông song đã bị Tần tiêu diệt hoàn toàn vào năm 223 TCN.

Một phục trang lễ nghi bằng tơ lụa với các chi tiết thêu từ thế kỷ thứ IV TCN, được tìm thấy tại lăng mộ thời Chu ở Mã Sơn, Giang Lăng, Hồ Bắc

Sau khi Tần thống nhất Trung Quốc, nếu muốn đi xuống phía nam cần qua Hồ Bắc nên vùng đất này đã trở thành yếu đạo về giao thông, nhân khẩu bắt đầu gia tăng. Các vùng đầm lầy tại Hồ Bắc đã được con người tiêu thoát nước để trở thành các vùng đất trồng trọt màu mỡ. Nhà Tần cũng thiết lập các đơn vị quận huyện tại địa phận tỉnh Hồ Bắc hiện nay. Do kị húy của Tần Trang Tương Vương (cha Tần Thủy Hoàng), triều đình Nhà Tần đã đổi tên đất Sở thành "Kinh" (荆).

Sau đó, đến thời Nhà Hán, tại Hồ Bắc và Hồ Nam ngày nay đã thiết lập nên Kinh châu, đôi khi được gọi hợp lại thành "Kinh Sở". Thời kỳ cuối của Nhà Hán, tức đầu thế kỷ thứ III, Kinh châu do châu mục Lưu Biểu trấn giữ. Sau khi Lưu Biểu mất, Lưu Tông lên làm Kinh châu mục. Khi Tào Tháo đánh vào Kinh châu, Lưu Tông bèn ra hàng Tào Tháo.[4] Sau khi Tào Tháo thua trận Xích Bích, Lưu Bị lấy danh nghĩa tôn Lưu Kỳ làm thứ sử Kinh Châu[5] để đóng quân ở Kinh châu phát triển lực lượng. Trong và sau trận Xích Bích, phía Đông Ngô tổn thất và tốn kém nhân lực hơn phía Lưu Bị nên không bằng lòng việc Lưu Bị chiếm mấy quận Kinh châu, nhưng vì Lưu Kỳ là con Lưu Biểu - người cai trị cũ của Kinh châu - nhân danh làm chủ Kinh châu nên phía Tôn Quyền đành tạm chấp nhận. Kinh châu thời Lưu Biểu nguyên có 7 quận, lúc đó chiến tranh qua lại giữa 3 phe Tào - Tôn - Lưu sau trận Xích Bích, mỗi bên còn giữ một phần: Lưu Bị có 4 quận Linh Lăng, Quế Dương, Trường Sa, Vũ Lăng và một nửa quận Giang Hạ của Lưu Kỳ (con cả Lưu Biểu); Tôn Quyền chiếm được Giang Lăng, nửa quận Giang Hạ và nửa Nam quận; Tào Tháo còn giữ lại quận Nam Dương và nửa Nam quận. Năm 209, khi Lưu Kỳ qua đời, cuộc tranh chấp Kinh châu giữa Tôn Quyền và Lưu Bị lại căng thẳng, Lưu Bị bị mang tiếng "mượn" Kinh châu lâu ngày không trả. Tháng 12 năm 211, từ Kinh châu, Lưu Bị đưa quân đi đánh Ích châu (nay là Trùng Khánh và Tứ Xuyên), Quan Vũ được giao ở lại giữ Kinh châu. Sau đó, trong khi Quan Vũ mải đánh Vu Cấm (một tướng của Tào Tháo) thì Tôn Quyền sai Lã Mông mang quân đánh úp Kinh châu. Trong vài thập kỉ sau đó, Kinh châu hoàn toàn do Đông Ngô nắm giữ.

Đến thời Tây Tấn, các bộ lạc du mục phía bắc Trung Quốc nổi nên và đến đầu thế kỷ thứ IV đã xâm nhập vào Trung Nguyên, khởi đầu cho gần 300 năm Trung Quốc bị phân liệt. Trong thời gian đó, phía bắc Trung Quốc là những quốc gia và triều đại của các dân tộc du mục (song bị Hán hóa ở các mức độ khác nhau), còn phía nam Trung Quốc do các triều đại của người Hán cai quản. Hồ Bắc thuộc miền Nam và nằm dưới quyền cai trị của Đông Tấn và các Nam triều. Sau loạn Hầu Cảnh, vào tháng 11 năm 552, Tiêu Dịch đã xưng đế ở Giang Lăng, tức Lương Nguyên Đế. Tuy nhiên, sau đó đại quân Tây Ngụy đã chiếm được Giang Lăng, bắt sống các tướng cùng Lương Nguyên Đế, giao cho Tiêu Sát trông giữ và sau đó hành hình Lương Nguyên Đế cùng các tôn thất nước Lương tại đây. Bách tính Giang Lăng hơn 1 vạn người bị Tây Ngụy chia cho tướng sĩ làm nô lệ và bị dẫn hết về Quan Trung. Khi thành Giang Lăng bị bao vây, Lương Nguyên Đế đã ra lệnh thiêu hủy 14 vạn quyển sách rất có giá trị, gây tổn thất cho kho tàng văn hóa Trung Quốc. Tây Ngụy đem Giang Lăng giao cho Tiêu Sát coi giữ, sau đó Tiêu Sát thành lập nước Hậu Lương, tức Lương Tuyên Đế, đóng đô ở Giang Lăng, thần phục nhà Tây Ngụy, tồn tại cho đến năm 587.

Sau khi nhà Tùy thống nhất Trung Quốc, ngoại trừ khu vực phía tây bắc và góc phía đông, tuyệt đại bộ phận Hồ Bắc hiện nay thuộc Kinh châu, gồm các quận Nam, Di Lăng, Cạnh Lăng, Miện Dương, Thanh Giang, Tương Dương, Thung Lăng, Hán Giang, An Lục, Vĩnh An, Giang Hạ. Đến năm Khai Hoàng thứ 9 (589) thời Tùy Văn Đế, Giang Hạ quận trong một thời gian đã được đổi tên thành Ngạc Châu, sau đó Ngạc Châu trở thành tên trị sở của quận này. Giản xưng "Ngạc" hiện nay của Hồ Bắc bắt nguồn từ đây.

Sau khi Nhà Đường thay thế nhà Tùy vào năm 617, toàn quốc được chia thành 10 đạo, tây bộ Hồ Bắc thuộc Sơn Nam Đông đạo còn đông bộ Hồ Bắc thuộc Hoài Nam đạo, đông nam bộ Hồ Bắc thuộc Giang Nam Tây đạo còn tây nam bộ của Hồ Bắc thuộc Kiềm Trung đạo. Trên địa phận Hồ Bắc khi đó có 15 châu. Về sau địa bàn Hồ Bắc hiện nay bị phân chia giữa Sơn Nam Đông đạo tiết độ sứ, Kinh Nam tiết độ sứ và Vũ Xương tiết độ sứ. Trong khoảng thời gian này, Hồ Bắc đã trở thành một trong những khu vực đứng đầu về sản xuất ngũ cốc tại Trung Quốc. Sản xuất và mậu dịch trà, cam quýt và các sản vật khác phát triển rất mạnh. Phát triển kinh tế cũng kéo theo sự phát triển về văn hóa, các thi nhân nổi tiếng đương thời như Lý Bạch, Đỗ Phủ, Bạch Cư Dị, Mạnh Hạo Nhiên, Sầm Than, Lục Vũ, Bì Nhật Hưu khi đi ngao du vùng Kinh Sở đã cho ra đời nhiều thi thiên tráng lệ.

Thời Ngũ Đại Thập Quốc (907-960), bảy châu là Tương, Quân, Phòng, Tùy, Dĩnh, Phục, An tại Hồ Bắc thuộc quyền cai quản của Ngũ Đại; còn các châu Hoàng, Kì, Ngạc thì ban đầu thuộc nước Ngô, sau thuộc nước Nam Đường; hai châu Hoàng, Kì về sau lại rơi vào tay triều Hậu Chu; nước Nam Bình nằm ở khu vực Giang Lăng, chiếm cứ ba châu Kinh, Quy, Hạp; riêng châu Thi thì thuộc Thục.

Nhà Tống đã tái thống nhất Trung Quốc vào năm 982, sau đó đặt Kinh Hồ Bắc lộ (giản xưng là Hồ Bắc lộ, tên gọi Hồ Bắc ra đời từ đây) tại đại bộ phận Hồ Bắc hiện nay, lộ này có các châu Ngạc, Phục, Hạp, Quy và Giang Lăng phủ, Đức An phủ, cùng với Kinh Môn quân, Hán Dương quân. Ở bắc bộ Hồ Bắc, triều đình thiết lập Kinh tây nam lộ, gồm các châu Tùy, Kim, Phòng, Quân, Dĩnh cùng Tương Dương phủ và Quang Hoa quân. Đông bộ Hồ Bắc lấy Trường Giang làm ranh giới, phía Bắc thuộc Hoài Nam Tây lộ, gồm hai châu Kì và Hoàng; phía nam thuộc Giang tây nam lộ, gồm Hưng Quốc quân; Thi châu ở tây bộ Hồ Bắc thuộc Quỳ Châu lộ. Đến cuối thời Bắc Tống, quân Kim Nữ Chân xâm nhập phương Bắc, chiến loạn xảy ra, vì thế có rất nhiều người đã di cư xuống phương Nam. Những di dân đem theo cả nền văn hóa và kỹ thuật nông nghiệp tiên tiến từ phương Bắc xuống, Hồ Bắc vì thế dần trở nên phồn vinh, trở thành vùng sản xuất lương thực trọng điểm.

Sau khi quân Mông Cổ tiêu diệt cả hai triều Kim, Tống và lập ra Nhà Nguyên, đã thiết lập các hành tỉnh làm đơn vị hành chính cấp một. Hồ Bắc khi đó bị phân chia giữa Hà Nam Giang Bắc đẳng xứ hành trung thư tỉnh (河南江北等处行中书省) và Hồ Quảng đẳng xứ hành trung thư tỉnh (湖广等处行中书省). Hồ Quảng hành tỉnh bao gồm đông nam bộ Hồ Bắc và các tỉnh Hồ Nam, Quảng Tây, Hải Nam và góc tây nam của Quảng Đông hiện nay. Tại phần đông nam bộ Hồ Bắc, triều đình Nhà Nguyên đã thiết lập Vũ Xương lộ, Hưng Quốc lộ (Dương Tân) và Hán Dương phủ. Vũ Xương là thủ phủ của Hồ Quảng hành tỉnh, cũng là trung tâm về nông sản của lưu vực Lưỡng Hồ. Đại bộ phận Hồ Bắc thuộc Hà Nam Giang Bắc hành tỉnh, trên địa bàn có Tương Dương lộ, Hoàng Châu lộ, Kì Châu lộ, Hạp Châu lộ (Nghi Xương), Trung Hưng lộ (Kinh Châu) và các phủ Đức An, Miện Dương và An Lục (Chung Tường).

Thời Minh sơ, Hồ Bắc thuộc Hồ Quảng hành tỉnh. Về sau, triều đình chia toàn quốc thành 13 bố chính sứ ti, toàn bộ Hồ Bắc hiện nay về cơ bản thuộc Hồ Quảng thừa tuyên bố chánh sử ti (湖广承宣布政使司), trị sở tại Giang Hạ (nay là Vũ Xương thuộc Vũ Hán). Trên địa bàn Vũ Hán khi đó có các phủ Vũ Xương, Hán Dương, Hoàng Châu, Thừa Thiên, Đức An, Kinh Châu, Tương Dương và Vân Dương. Thời Minh mạt, sau khi Hán Thủy đổi dòng, tại Hồ Bắc đã hình thành nên các thành trấn thương nghiệp mới nổi Hán Khẩu tại vùng bờ lõm phía bắc của dòng chảy mới, thu hút một số lớn bang thương nhân từ Huy Châu, Sơn Tây, Giang Tây đến kinh doanh muối, trà, gỗ, thuốc chữa bệnh và các mặt hàng khác. Khu đô thị ven bờ bắc Hán Thủy trải dài 20 lý, là một trong tứ đại danh trấn đương thời.

Thời Thanh

Bản đồ tô giới các nước Anh, Đức, Nga, Pháp, Nhật tại Hán Khẩu

Năm Khang Hi thứ 3 (1664) thời Nhà Thanh, Hồ Quảng bố chính sứ ti được phân thành tả và hữu bố chính sứ ti, đến năm Khang Hi thứ 6 (1667), Hồ Quảng tả và hữu bố chính sử ti đổi tên thành Hồ Bắc bố chính sứ ti và Hồ Nam bố chính sứ ti. Hồ Bắc và Hồ Nam ổn định về ranh giới và tên gọi từ đó. Hồ Bắc đặt trị sở tại Vũ Xương. Thời Thanh, ban đầu tỉnh Hồ Bắc được phân thành 8 phủ là Vũ Xương, Hán Dương, Hoàng Châu, An Lục, Đức An, Kinh Châu, Tương Dương, Vân Dương, đến cuối thời Thành thì tỉnh Hồ Bắc tổng cộng có 10 phủ là Vũ Xương, Hán Dương, Kinh Châu, Tương Dương, Hoàng Châu, An Lục, Đức An, Vân Xương, Nghi Xương, Thi Nam và Kinh Môn trực lệ châu.

Năm 1860, Chiến tranh Nha phiến lần thứ hai kết thúc, tư bản ngoại quốc đổ vào các khu vực ven Trường Giang, Hán Khẩu trở thành một thương cảng hiệp ước, theo đó thiếp lập tô giới Anh tại Hán Khẩu ở hạ du thị trấn cũ. Từ năm 1895 đến 1898, lại tiếp tục thiết lập tô giới Đức tại Hán Khẩu, tô giới Nga tại Hán Khẩu, tô giới Pháp tại Hán Khẩu, tô giới Nhật tại Hán Khẩu. Ngoài ra, vào các năm 1877 và 1896, Nghi Xương và Sa Thị cũng trở thành các thương cảng hiệp ước.

Trong cùng thời kỳ đó, Dương Vụ vận động (洋务运动, nghĩa là phong trào Tây hóa) đã nổi lên, tổng đốc Hồ Quảng Trương Chi Động khi nhậm chức đến Hồ Bắc đã cho thiết lập một số lượng lớn các xí nghiệp theo kiểu Tây, như xưởng luyện thép Hán Dương, xưởng công binh Hán Dương. Ông cũng đã thành lập Xưởng dệt tứ cục Hồ Bắc bao gồm dệt vải, kéo sợi, ươm tơ, chế biến gai. Ông còn lập kế hoạch xây dựng đường sắt Lô Hán (sau đổi tên là Kinh Hán, xây dựng từ năm 1896, hoàn thành năm 1905) nối liền hai miền nam bắc. Hồ Bắc trở thành một trong những tỉnh công nghiệp chủ yếu của Trung Quốc.

Thời Trung Hoa Dân Quốc

Thời kỳ Trung Hoa Dân Quốc, Hồ Bắc không có nhiều thay đổi về mặt hành chính tổng thể, các phủ, châu và thính đều được chuyển thành huyện. Đến năm 1949, Hồ Bắc có 1 thị (Vũ Xương), 8 khu đốc sát hành chính, 69 huyện. Hán Khẩu khi thì là một thành phố thuộc tỉnh, khi thì là một thành phố đặc biệt trực thuộc chính phủ trung ương. Từ năm 1927 trở đi, Cộng sản đảng bắt đầu tiến hành cách mạng vũ trang, thiết lập các chính quyền Xô viết. Đầu năm 1927, một thời gian ngắn trước khi Tưởng Giới Thạch chiếm giữ được Thượng Hải và chuyển thủ đô về Nam Kinh, phe cánh tả trong Quốc Dân đảng Uông Tinh Vệ đã tuyên bố thủ đô của chính quyền Dân quốc là Vũ Hán. Trong khi cố gắng chỉ đạo chính phủ từ Vũ Hán, Uông đã cộng tác chặt chẽ với những nhân vật cộng sản hàng đầu, bao gồm Mao Trạch Đông, Trần Độc Tú, và Mikhail Markovich Borodin. Tưởng Giới Thạch chiếm được Thượng Hải vào tháng 4 năm 1927, và bắt đầu một cuộc đàn áp đẫm máu đối với cộng sản gọi là thanh đảng. Trong vòng vài tuần lễ Tưởng đàn áp cộng sản tại Thượng Hải, chính phủ cánh tả của Uông đã bị một quân phiệt liên kết với Quốc Dân đảng tấn công và bị tan rã, điều này đã khiến Tưởng Giới Thạch trở thành lãnh đạo hợp pháp duy nhất của Trung Hoa Dân quốc. Trong Chiến tranh thế giới thứ hai, nửa phía đông của Hồ Bắc bị quân Nhật xâm chiếm trong khi nửa phía tây vẫn nằm trong tay các lực lượng Trung Quốc.

Thời Cộng hòa Nhân dân Trung Hoa

Đường hầm trong công trình 131, được xây vào cuối thập niên 1960 & đầu thập niên 1970

Trong Cách mạng Văn hóa, Vũ Hán là một trong những trọng điểm hoạt động của Hồng vệ binh. Do lo ngại có thể xảy ra chiến tranh hạt nhân trong thời điểm các xung đột biên giới Trung-Xô vào cuối thập niên 1960, chính quyền Trung Quốc khi đó đã lựa chọn Hàm Ninh làm nơi để xây dựng công trình 131, tên gọi "131" này là do nó được quyết định xây dựng vào ngày 31 tháng 1 năm 1969. Hệ thống đường hầm được thường thuật là dài 456 mét, và có chi phí xây dựng là 130 triệu NDT với mục đích sẽ trở thành trung tâm đầu não của đất nước khi chiến tranh hạt nhân xảy ra. Hồ Bắc nói chung và Vũ Hán nói riêng đã phải hứng chịu ảnh hưởng nặng nề của các trận lụt Trường Giang vào năm 1954. Sau đó, các dự án xây đập quy mô lớn đã được triển khai, đập Cát Châu Bá (葛洲坝) trên Trường Giang đã bắt đầu được xây dựng từ năm 1970 và hoàn thành vào năm 1988; việc xây dựng đập Tam Hiệp ở xa hơn về thượng nguồn đã bắt đầu vào năm 1993 và ngoại trừ thang nâng tàu, đập này đã hoàn thành với đầy đủ chức năng vào tháng 4 năm 2012.[6][7] Công trình đập Tam Hiệp đã khiến 1,3 triệu cư dân, nó trị giá 60 tỷ USD và là công trình thủy điện lớn nhất thế giới.[8]