今阳泉市所属两县三区的区划中，平定县当是建县设治最早的县份。汉武帝建元元年（前140），全国划分为13郡，山西属太原郡，领晋阳等21县。今平定归属太原郡，时称上艾县，县治在今张庄镇新城村。
东汉建安十八年（213），合幽、并二州为冀州，上艾遂入冀州。东汉末年，一度郡国并行，时冀州分为三郡六国，上艾在常山国之域。
曹魏黄初元年（220），恢复并州，分太原郡置乐平郡（今昔阳县），上艾改属乐平郡。
西晋时期，沿用前制，仍属乐平郡。
北魏道武帝登国元年（386），改上艾为石艾；太平真君九年（448）废，孝庄帝建明元年（530）又恢复石艾之名。
隋初，属辽州（今左权县）；大业中（605），归并州太原郡。其间，今平定县的娘子关在隋开皇十六年（596）曾设苇泽县，于大业三年废，地入井陉（今河北井陉）；大业十三年置井陉郡，另析苇泽县，唐贞观元年（627）废县入郡；天宝八年（749）改属广阳县；干元元年（758）置承天军，隶河东节度使；北宋太平兴国四年（979），废承天军为寨，归属平定州。
唐代，武德三年（620）石艾县复归辽州；武德六年（623）改归受州（州治在今寿阳县城）；贞观八年（634），废受州，直属太原府；天宝元年（742）改石艾为广阳县，移治于今昔阳县广阳村。
五代，沿袭旧制。刘崇建北汉，广阳属北汉境域。北宋太平兴国二年（977），为取北汉，北宋在广阳建平定军；两年后，灭北汉，正式改广阳为平定县，并移治于平定城（上城），归属平定军。
金代，大定二年（1162），平定军升为平定州，属太原支郡，领平定、乐平二县。
元代，山西分为晋宁路、冀宁路、大同路，平定属冀宁路之太原府。至元二年（1265），省平定县，其地入平定州。
明代，改冀宁路为冀宁道，平定归属未变。
清代，雍正二年（1724），平定州升为省直隶州，领寿阳、盂县、乐平3县。
民国初年，废府、厅、州，仅存道制，平定改州为县，仍属冀宁道。
1937年，抗日战争爆发。10月平定沦陷，日军在县城组建了行政公署，准备长期占领（其实，其权力所及仅限于县城附近和交通沿线）；而同时，中共领导的八路军，深入敌后建立抗日根据地，以正太路为界，将平定县分为路北和路南。路北建立的平定（路北）县抗日政府，属晋察冀边区管辖；路南，又以平辽公路为界，分别建立了平（定）东和平（定）西两个抗日政府，属晋冀鲁豫边区管辖。抗日战争胜利后，1945年12月，平东、平西合并，建立了平定县（路南）政府，仍属晋冀鲁豫边区管辖。1948年8月，平定南北合并，成立平定县人民政府，归属榆次专区；1983年，实行市管县时，平定划归阳泉市属县，至今。其间，1959年至1961年，平定县一度时期曾划归阳泉市所属的郊区；县境内的一些村落，在历次区划调整中，分别划归了盂县、寿阳、昔阳、河北井陉和阳泉市。
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