牙克石市曆史悠久。《盛京通志》稱牙克石為紮敦昂阿，《中國曆史地圖集》标雅克薩。在距今6000年前的新石器時期，雅魯河、綽爾河流域已有人類活動。

先秦，屬東胡地。西漢初，匈奴擊敗東胡，建奴隸制政權，為左賢轄地。東漢，在大興安嶺北部深山密林中遊獵的鮮卑拓跋部南遷大澤（今呼倫湖），此地為鮮卑部落領地。隋，屬遼西室韋部落領地。唐，歸河北道室韋都督府管轄。遼，大興安嶺以東地區歸上京道東北路招讨轄，嶺西地區由烏古敵烈統軍司轄。金，嶺東歸蒲與路轄，嶺西歸東北路招讨司轄。元，實行領戶分封制，嶺西為合拙·哈薩爾封地，嶺東為合赤溫·額勒赤封地。元至元十五年（1288年），諸王封地納入行省，嶺西歸嶺北行省和林路轄，嶺東歸中書省泰甯路轄。明，嶺西歸努爾幹都司斡難河衛海刺兒千戶轄，嶺東歸卓爾河衛轄。清，嶺西歸呼倫貝爾副都統衙門轄，嶺東歸布特哈總管衙門轄。雍正十年（1732年），索倫（鄂溫克）等民族從大興安嶺以東布特哈地區遷至呼倫貝爾草原，建索倫左、右兩翼八旗，左翼四旗駐牧在通俄羅斯道路邊境一帶，大興安嶺以西地區為轄地。同年，清政府加強邊防統治，在齊齊哈爾至呼倫城設10台（境内設5台）。光緒二十九年（1903年），中東鐵路通車營運，在巴林至牙克石間建10個火車站。此後，人口漸增，聚成村落。

1912年，嶺西歸呼倫貝爾地方自治政府轄，嶺東歸布西設治局轄。1920年，嶺西歸呼倫貝爾道尹公署轄，嶺東歸西布特哈總管公署轄。1929年，嶺西歸呼倫貝爾市政籌備處轄，嶺東歸雅魯縣轄。

1931年，“九·一八”事變後，日本侵略軍占領東北，建滿洲國。東北劃19省，牙克石境内大興安嶺以西地區歸興安北分省轄，嶺東歸興安東分省轄。

1934年，嶺西歸興安北省索倫旗轄，嶺東歸興安東省布特哈旗轄。

1936年，索倫旗設牙克石街。

1945年10月，日本侵略軍投降後，牙克石街由索倫旗劃出，建街公署，直屬呼倫貝爾自治政府管轄。

1946年8月，建中國共産黨領導下的人民民主政權—牙克石街政府。

1947年5月，内蒙古自治聯合政府成立，嶺西歸呼倫貝樂盟政府，嶺東歸納文慕仁盟政府。

1949年4月，嶺東歸呼倫貝爾納文慕仁盟布特哈旗，嶺西歸索倫旗。

1949年10月1日，中華人民共和國成立。1950年1月，以牙克石街為基礎，劃出索倫旗所轄紮羅木得努圖克、免渡河努圖克，布特哈旗所轄博克圖努圖克，成立喜桂圖旗人民政府，隸屬呼倫貝爾納文慕仁盟。

1953年4月，喜桂圖旗隸屬内蒙古自治區東部區行政公署。

1954年4月，喜桂圖旗隸屬呼倫貝爾盟。

1955年1月，喜桂圖旗人民政府改稱旗人民委員會。

1958年10月，旗人民委員會與大興安嶺林業管理局合并，稱喜桂圖旗大興安嶺林區人民政府。1962年8月，複稱喜桂圖旗人民委員會。

1967年12月，成立喜桂圖旗革命委員會，隸屬呼倫貝爾盟革命委員會。

1969年8月，喜桂圖旗随同呼倫貝盟劃入黑龍江省。

1979年7月，劃回内蒙古自治區。

1980年1月，撤喜桂圖旗革命委員會，建喜桂圖旗人民政府。1983年10月10日，經國務院批準，撤喜桂圖旗人民政府，建牙克石市人民政府，1984年1月1日，正式實行市建制。

2000年，全市總面積27540平方千米。總人口405403人，其中農業人口15750人，非農業人口386672人；少數民族人口40005人，其中蒙古族17588人，回族6622人，鄂倫春族130人，鄂溫克族425人，其他少數民族15260人。轄15個鎮、6個街道，即牧原鎮、免渡河鎮、烏奴耳鎮、博克圖鎮、巴林鎮、綽源鎮、塔爾氣鎮、煤田鎮、烏爾其汗鎮、原林鎮、庫都爾鎮、新帳房鎮、西尼氣鎮、圖裡河鎮、伊圖裡河鎮、勝利街道、紅旗街道、新工街道、永興街道、建設街道、暖泉街道。

2001年10月，國務院批準撤銷呼倫貝爾盟，設立地級呼倫貝爾市，牙克石市隸屬呼倫貝爾市。撤銷西尼氣鎮、新帳房鎮，并入圖裡河鎮；撤銷原林鎮，并入庫都爾鎮。調整後，全市轄6個街道、12個鎮：勝利街道、紅旗街道、新工街道、永興街道、建設街道、暖泉街道、牧原鎮、免渡河鎮、烏奴耳鎮、博克圖鎮、巴林鎮、綽源鎮、塔爾氣鎮、煤田鎮、烏爾其漢鎮、庫都爾鎮、圖裡河鎮、伊圖裡河鎮。2001年末，全市總人口404524人，其中農業人口15441人，非農業人口386697人。

2006年，撤銷牧原鎮，将牧原鎮原管轄的行政區域288.8平方千米和免渡河鎮原管轄的行政區域33.8平方千米合并設立街道辦事處；撤銷烏奴耳鎮，将其原管轄的行政域整建制和原牧原鎮原管轄的行政區域并入免渡河鎮；撤銷塔爾氣鎮，将其原管轄的行政區域整建制并入綽源鎮；撤銷伊圖裡河鎮，将其原管轄的行政區域整建制并入圖裡河鎮；撤銷巴林鎮，将其原管轄的行政區域整建制并入博克圖鎮；撤銷煤田鎮，将其原管轄的行政區域整建制和牧原鎮的1814.9平方千米并入烏爾其漢鎮。

2011年，恢複烏奴耳鎮、塔爾氣鎮、伊圖裡河鎮。

2016年4月，撤銷東興街道辦事處設置牧原鎮。2017年撤銷巴林便民服務中心、煤田便民服務中心。調整後，全市轄6個街道、10個鎮：勝利街道辦事處、紅旗街道辦事處、新工街道辦事處、永興街道辦事處、建設街道辦事處、暖泉街道辦事處、牧原鎮、免渡河鎮、烏奴耳鎮、博克圖鎮、綽河源鎮、塔爾氣鎮、烏爾其漢鎮、庫都爾鎮、圖裡河鎮、伊圖裡河鎮。

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