Dưới thời Việt Nam Cộng hòa, địa bàn huyện Đắk Mil hiện nay thuộc quận Đức Lập, tỉnh Quảng Đức.

Sau năm 1975, tỉnh Quảng Đức bị giải thể, địa bàn sáp nhập vào tỉnh Đắk Lắk. Đồng thời, chính quyền quận Đức Lập thành huyện Đắk Mil thuộc tỉnh Đắk Lắk.

Ngày 20 tháng 4 năm 1978, thành lập xã Nam Đà.[3]

Ngày 17 tháng 1 năm 1984, chia xã Đức Minh thành 3 xã lấy tên là xã Đức Minh, xã Đắk Sắk và xã Đắk Môl, chia xã Nam Nung thành 2 xã lấy tên là xã Nam Nung và xã Đắk Rồ.[4]

Ngày 9 tháng 11 năm 1987, tách 3 xã: Đắk Rồ, Nam Đà và Nam Nung để thành lập huyện Krông Nô.

Năm 1989, thành lập thị trấn Đắk Mil và xã Thuận Hạnh.

Ngày 19 tháng 6 năm 1990, Hội đồng Bộ trưởng ban hành Quyết định 227-HĐBT[5]. Theo đó, chuyển 35.100 ha diện tích tự nhiên (toàn bộ là đất lâm nghiệp) của xã Đắk Lao, huyện Đắk Mil về huyện Cư Jút mới thành lập.

Sau khi điều chỉnh địa giới hành chính, huyện Đắk Mil còn lại 105.600 ha diện tích tự nhiên và 38.000 người với 9 đơn vị hành chính trực thuộc, gồm thị trấn Đắk Mil (huyện lỵ) và 8 xã: Đắk Gằn, Đắk Lao, Đắk Môl, Đắk Sắk, Đức Minh, Đức Mạnh, Thuận An, Thuận Hạnh.

Ngày 24 tháng 3 năm 1998, thành lập xã Đắk Song trên cơ sở 11.745 ha diện tích tự nhiên và 2.936 người của xã Thuận Hạnh; thành lập xã Đắk R'la trên cơ sở 10.204 ha diện tích tự nhiên và 4.143 người của xã Đắk Gằn.[6]

Ngày 21 tháng 6 năm 2001, Chính phủ ban hành Nghị định 30/2001/NĐ-CP[7]. Theo đó, chuyển 3 xã: Đắk Môl, Đắk Song, Thuận Hạnh về huyện Đắk Song mới thành lập.

Sau khi điều chỉnh địa giới hành chính, huyện Đắk Mil còn lại 68.352 ha diện tích tự nhiên và 64.560 người với 8 đơn vị hành chính trực thuộc, gồm thị trấn Đắk Mil và 7 xã: Đắk Gằn, Đắk Lao, Đắk R'la, Đắk Sắk, Đức Mạnh, Đức Minh, Thuận An.

Ngày 26 tháng 11 năm 2003, Quốc hội ban hành Nghị quyết 22/2003/QH11 chia tỉnh Đắk Lắk thành hai tỉnh Đắk Lắk và Đắk Nông[8], huyện Đắk Mil thuộc tỉnh Đắk Nông.

Ngày 6 tháng 6 năm 2005, thành lập xã Đắk N'Drót trên cơ sở 3.320 ha diện tích tự nhiên và 234 người của xã Đức Mạnh, 1.428 ha diện tích tự nhiên và 3.207 người của xã Đắk R'La.[9]

Ngày 22 tháng 11 năm 2006, thành lập xã Long Sơn trên cơ sở điều chỉnh 3.058 ha diện tích tự nhiên và 2.198 người của xã Đắk Sắk.[10]

Huyện Đắk Mil có 1 thị trấn và 9 xã như hiện nay.

Ngày 25 tháng 12 năm 2014, Bộ Xây dựng ban hành Quyết định 1534/QĐ-BXD về việc công nhận thị trấn Đắk Mil là đô thị loại IV.[11]

Ngày 1 tháng 2 năm 2021, điều chỉnh một phần diện tích của xã Đắk R'la về xã Cư Knia, huyện Cư Jút quản lý.[12]