Lào Cai là một vùng đất cổ, diện mạo địa hình được hình thành cách nay 50-60 triệu năm, trong đợt tạo sơn cuối cùng, vỏ trái đất vặn mình, đứt gãy. Hơn vạn năm trước, con người đã có mặt tại địa bàn tại đây[cần dẫn nguồn]. Tổ tiên người bản địa Lào Cai nay hồi đó cư trú khá tập trung ở các dải đồi ven sông Hồng, sông Chảy, các cửa ngòi Mi, ngòi Nhù. Các chủ nhân văn hóa Hòa Bình ở Lào Cai đã biết làm nông nghiệp [8].Trong buổi đầu các bộ tộc xác định ranh giới chủ quyền, thời Hùng Vương thuộc Tân Hưng, là một trong 15 bộ của Nhà nước Văn Lang. Thời Âu Lạc thì vùng phía đông và phía nam Lào Cai thuộc bộ lạc Tây Vu, còn một phần đất phía tây và phía bắc Lào Cai hiện nay thuộc phạm vi của các bộ lạc nhỏ hơn không chịu thuần phục Lạc Việt.

Thời Bắc thuộc, ban đầu là địa phận thuộc huyện Tây Vu, quận Giao Chỉ. Sau này thuộc là quận Tân Hưng, đất Giao Châu (thời Tây Tấn), sau là đất châu Đan Đường, Chu Quý thuộc Giao Chỉ (thời Tùy), tiếp đổi Lâm Tây châu, Đức Hóa châu thuộc phủ An Nam (thời Đường, 679) [note 2].

Trong thời tự chủ phong kiến thuộc đạo Lâm Tây (林西), hay Đại Cồ Việt thời Đinh, Tiền Lê và Đại Việt thời Lý [note 2]); đất Đăng Châu (鐙州) thời Lý; tiếp là huyện Thủy Vĩ, trấn Quy Hóa, đạo Đà Giang (水尾縣光化鎭沱江道) thời nhà Trần. Năm 1397, Hồ Quý Ly làm phụ chính thái sư, sửa đổi chế độ hành chính, đã đổi các bộ phủ làm trấn và Đà Giang đổi thành trấn Thiên Hưng (天興). Trong đó, huyện Thủy Vĩ, huyện Văn Bàn (文盤) được thành lập trực thuộc châu Quan Hóa. Từ nay Thủy Vĩ, Văn Bàn (vùng đất Lào Cai xưa) đã chính thức trở thành tên đơn vị hành chính của nhà nước phong kiến Đại Việt. Triều Lê đổi đổi lộ làm phủ và đổi trấn làm châu, khi đó lộ Quy Hóa đổi thành phủ Quang Hóa, huyện Văn Bàn, huyện Thủy Vĩ trở thành châu Văn Bàn, châu Thủy Vĩ trực thuộc Phủ Quang Hóa, thừa tuyên Hưng Hóa. Năm Hồng Đức thứ 31 (1490) đạo thừa tuyên Hưng Hóa đổi thành xứ Hưng Hóa. Đến đời Hồng Thuận Lê Tương Dực (1509-1516) đổi xứ Hưng Hóa thành trấn Hưng Hóa (興化鎭)[9].

Đến đời nhà Nguyễn, vùng đất Lào Cai chủ yếu thuộc đất của châu Thủy Vỹ, châu Văn Bàn, một phần thuộc châu Chiêu Tấn và một phần nhỏ thuộc châu Lục Yên thuộc phủ Quy Hóa, tỉnh Hưng Hóa[10].

Sau khi đánh chiếm Lào Cai (tháng 3 năm 1886), đế quốc Pháp cai quản địa hạt Lào Cai theo chế độ quân sự. Ngày 7 tháng 1 năm 1899, đạo quan binh IV được thành lập bao gồm Tiểu quân khu Yên Bái và Tiểu quân khu Lào Cai [11] Lào Cai là đạo lỵ, thủ phủ của đạo quan binh IV. Để dễ bề kiểm soát và tiến hành khai thác, thực dân Pháp đã chia lại khu vực hành chính và thay đổi chế độ cai trị. Ngày 12 tháng 7 năm 1907, Toàn quyền Đông Dương ra nghị định bãi bỏ đạo quan binh IV Lào Cai, chuyển từ chế độ quân quản sang chế độ cai trị dân sự, thành lập tỉnh Lào Cai. Emmerich được cử làm Công sứ Pháp đầu tiên của Lào Cai thay tướng Louis Edouard Messager đang làm Tư lệnh Đạo quan binh số 4 Lào Cai. Từ đây địa danh tỉnh Lào Cai được xác định trên bản đồ Việt Nam. Ngày 12 tháng 7 năm 1907 được xác định là ngày thành lập tỉnh Lào Cai[12].

Trải qua những biến động thăng trầm của lịch sử, địa lý Lào Cai cũng có nhiều thay đổi. Sau khi Lào Cai vừa được thành lập, Toàn quyền Pháp ra Nghi định chia lại đơn vị hành chính Lào Cai: phần đất của châu Thuỷ Vỹ bên hữu ngạn sông Hồng sáp nhập vào Chiêu Tấn, vẫn lấy tên là châu Thuỷ Vỹ; phần đất của châu Thuỷ Vỹ bên tả ngạn sông Hồng được tách ra lập thành châu Bảo Thắng. Tỉnh Lào Cai gồm hai châu Thuỷ Vỹ, Bảo Thắng và các đại lý Mường Khương, Phong Thổ, Bát Xát, Bắc Hà (Pa Kha) và thị xã Lào Cai[11].

Đến 1910, dưới thời của Công sứ Emmerich, một số tổng của Lào Cai (ở châu Thủy Vĩ) được trích ra cùng với một số tổng của Lai Châu lập ra châu Than Uyên do Công sứ Pháp Hernández của tỉnh Sơn La quản hạt.

Năm 1930, thời công sứ Pháp ở Lào Cai Henry Wintrebert, địa lý của Lào Cai cơ bản như sau

- Châu Bảo Thắng (bên tả ngạn) có 10 xã và khu tương đương với 34 thôn và 1 khu phố Lào Cai với 3 phố là Tân Bảo, Tân Tèo, Cốc Lếu. 

- Châu Thuỷ Vỹ (bên hữu ngạn) có 4 xã là xã Nhạc Sơn (16 thôn bản), xã Xuân Giao (14 thôn bản), xã Cam Đường (37 thôn bản), xã Gia Phú (16 thôn bản). Tổng cộng là 83 thôn bản. 

- Đại lý Mường Khương có 3 xã là xã Mường Khương (45 thôn bản), xã Pha Long (39 thôn bản), xã Bản Lầu (57 thôn bản). 

- Đại lý Pa Kha (Bắc Hà) có 3 xã là xã Bắc Hà Đông, xã Bắc Hà Tây, xã Si Ma Cai; 149 thôn bản và 1 khu phố với 2 dãy phố. 

- Đại lý Phong Thổ có 4 xã là xã Phong Thổ (có 80 thôn bản), xã Giào San (28 thôn bản), xã Tam Đường (có 58 thôn bản), xã Bình Lư (có 28 thôn bản). Tổng cộng có 194 thôn bản. 

- Đại lý Bát Xát có 3 xã:Bát Xát (8 thôn bản), Trịnh Tường (20 thôn bản), Mường Hum (4 thôn bản). 

- Khu hành chính Sa Pa có 37 thôn bản[13].

Sau năm 1954, tỉnh Lào Cai có 2 thị xã: thị xã Lào Cai (tỉnh lị), Cam Đường và 6 huyện: Bắc Hà, Bảo Thắng, Bát Xát, Mường Khương, Phong Thổ, Sa Pa.

Ngày 13 tháng 5 năm 1955, chuyển huyện Phong Thổ về khu tự trị Thái - Mèo quản lý (nay địa bàn Phong Thổ là thành phố Lai Châu và 2 huyện Phong Thổ, Tam Đường thuộc tỉnh Lai Châu).[14]

Ngày 15 tháng 11 năm 1966, chia huyện Bắc Hà thành 2 huyện: Bắc Hà và Si Ma Cai.[15]

Ngày 27 tháng 12 năm 1975, tỉnh Lào Cai được hợp nhất với 2 tỉnh Yên Bái và Nghĩa Lộ hợp nhất thành tỉnh Hoàng Liên Sơn.

Ngày 17 tháng 4 năm 1979, mở rộng thị xã Lào Cai trên cơ sở sáp nhập thị xã Cam Đường; hợp nhất lại 2 huyện Si Ma Cai và Bắc Hà thành một đơn vị hành chính lấy tên là huyện Bắc Hà.[16]

Ngày 12 tháng 8 năm 1991, tỉnh Hoàng Liên Sơn chia lại thành 2 tỉnh Lào Cai và Yên Bái. Khi tách ra, tỉnh Lào Cai có 9 đơn vị hành chính gồm thị xã Lào Cai và 8 huyện: Bắc Hà, Bảo Thắng, Bảo Yên, Bát Xát, Mường Khương, Sa Pa, Than Uyên, Văn Bàn (riêng huyện Than Uyên trước đây thuộc tỉnh Nghĩa Lộ cũ, hai huyện Bảo Yên và Văn Bàn trước đây thuộc tỉnh Yên Bái).[17]

Ngày 9 tháng 6 năm 1992, tái lập thị xã Cam Đường.

Ngày 18 tháng 8 năm 2000, tái lập 2 huyện Bắc Hà và Si Ma Cai trên cơ sở tách huyện Bắc Hà.[18]

Ngày 31 tháng 1 năm 2002, tái sáp nhập thị xã Cam Đường vào thị xã Lào Cai.[19]

Ngày 26 tháng 12 năm 2003, chuyển huyện Than Uyên về tỉnh Lai Châu quản lý.[20]

Ngày 30 tháng 11 năm 2004, chuyển thị xã Lào Cai thành thành phố Lào Cai.[21]

Ngày 30 tháng 10 năm 2014, thành phố Lào Cai được công nhận là đô thị loại II.

Ngày 11 tháng 9 năm 2019, chuyển huyện Sa Pa thành thị xã Sa Pa.[22]

Tỉnh Lào Cai có 1 thành phố, 1 thị xã và 7 huyện như hiện nay.

Ngày 11 tháng 2 năm 2020, mở rộng thành phố Lào Cai trên cơ sở sáp nhập một phần diện tích và dân số của hai huyện Bát Xát và Bảo Thắng.[23]