Vào thời Hùng Vương thuộc bộ Việt Thường. Theo sử sách, huyện Vĩnh Linh  được hình thành từ năm 1069 dưới thời Lý Thánh Tông, lúc đầu có tên gọi là Ma Linh, sau đổi tên là Minh Linh, đến năm 1885 (đời Hàm Nghi) đổi tên thành Chiêu Linh.[5]

Năm 1831, nhà Nguyễn lập ra tỉnh Quảng Trị, đặt ra phủ Vĩnh Linh.

Thời kỳ 1945 - 1954, là huyện Vĩnh Linh, tỉnh Quảng Trị.

Thời kỳ 1954 - 1976, Hiệp định Genève chia cắt Việt Nam thành hai miền với hai chế độ chính trị khác nhau, nên Đặc khu Vĩnh Linh trở thành 1 đơn vị hành chính tương đương cấp tỉnh trực thuộc Việt Nam Dân chủ Cộng hòa, với tên gọi chính thức là Khu vực Vĩnh Linh.

Sau nhiều cuộc tách nhập, từ tháng 5 năm 1990 huyện Vĩnh Linh thuộc tỉnh Quảng Trị, gồm thị trấn Hồ Xá và 20 xã: Vĩnh Chấp, Vĩnh Giang, Vĩnh Hà, Vĩnh Hiền, Vĩnh Hòa, Vĩnh Khê, Vĩnh Kim, Vĩnh Lâm, Vĩnh Long, Vĩnh Nam, Vĩnh Ô, Vĩnh Quang, Vĩnh Sơn, Vĩnh Tân, Vĩnh Thạch, Vĩnh Thái, Vĩnh Thành, Vĩnh Thủy, Vĩnh Trung, Vĩnh Tú.

Ngày 13 tháng 3 năm 1986, đổi tên thị trấn Hồ Xá thành thị trấn Vĩnh Linh.

Ngày 1 tháng 8 năm 1994, thành lập thị trấn Bến Quan trên cơ sở một phần diện tích và dân số của xã Vĩnh Khê, đồng thời thị trấn Vĩnh Linh đổi lại tên cũ là thị trấn Hồ Xá.

Ngày 1 tháng 10 năm 2004, đảo Cồn Cỏ thuộc xã Vĩnh Quang được tách ra thành lập huyện đảo Cồn Cỏ.

Ngày 24 tháng 8 năm 2009, thành lập thị trấn Cửa Tùng trên cơ sở toàn bộ diện tích và dân số của xã Vĩnh Quang và một phần diện tích và dân số của xã Vĩnh Thạch.

Ngày 17 tháng 12 năm 2019, sáp nhập xã Vĩnh Trung và xã Vĩnh Nam thành xã Trung Nam, sáp nhập xã Vĩnh Thạch và xã Vĩnh Kim thành xã Kim Thạch, sáp nhập xã Vĩnh Hiền và xã Vĩnh Thành thành xã Hiền Thành, sáp nhập xã Vĩnh Tân vào thị trấn Cửa Tùng.[6]

Huyện Vĩnh Linh có 1 thị trấn và 15 xã như hiện nay.