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古为羌地。
汉元始四年（4年），王莽在今海晏县三角城设置“西海郡”，辖海晏、刚察等地区。
后因王莽篡政纷乱，郡邑废弃。
东汉永元十四年（102年），复置“西海郡”（以上见《西宁府新志》）。
晋和十六国时（265-420年），设置西平郡，海北州属西秦、北凉、南凉统治（见《甘肃通志稿》）。
海北州风景隋大业五年（609年），炀帝击败吐谷浑伏允主力后，又设置“西海郡”，郡治多至伏俟城，海晏、刚察仍属其管辖（见隋书）。
唐贞观五年（631年），设置米川县，辖门源地区。
唐咸亨三年（公元672年），徙吐谷浑诺曷钵于浩门水南。
唐广德元年（763年），吐蕃占据青海，海北州属其域（以上见《甘肃通志稿》）。
元朝设吐蕃等处宣慰司都元帅府，海北州归其管辖。
明洪武八年（1378年），设安定、阿瑞二卫。
海北州在二卫辖境。
明正德四年（1509年），蒙古族和硕特部落固始汗自新疆入青海，统一了蒙古族分编为5部29旗。
其中，海北地区有11旗，置于青海钦差大臣（驻西宁）管辖之下。
同时，筑起了大通（今门源县城）、白塔（今大通县城关镇）、永安（门源县城西北55千米处）3城，在今门源县城设“大通卫”，辖永安营和白塔营，属西宁府管辖。
清乾隆九年（1744年）迁卫于白塔。
清乾二十六年（1761年），改卫为县治。
海北州风景1914年，设立西宁道。
民国十八年（1929年）青海建省后，先后置亹源县、祁连设治局、海晏设治局（后改设海晏县），均由省直辖；划达坂山以北设置门源县，祁连地区和原属西宁府的仙米、珠固划归门源县。
民国二十八年（1939年），设祁连设治局。
民国三十二年（1943年），海晏建县。
刚察为教兰理事辖区。
1949年，海北解放，成立亹源县政府，1950年至1952年，成立海晏县、刚察行政委员会、祁连自治区。
1953年12月31日设立海北藏族自治区，辖亹源回族自治区（驻浩亹镇）、祁连县（原祁连自治区改设，驻八宝寺）、刚察县（原刚察区改设，驻沙柳河）、海晏县（原海晏县藏族自治区恢复为县，驻三角城），自治区人民政府驻亹源县浩亹镇。
1955年，海北藏族自治区改设海北藏族自治州，亹源回族自治区改设亹源回族自治县。