土默特部是個源遠流長的蒙古部落。據考，土默特部即成吉思汗時期的禿馬惕。約當15世紀中葉，土默特部駐牧豐州灘（即今之土默川）。15世紀末至16世紀初，達延汗統一漠南蒙古後，將各部劃分為察哈爾、喀爾喀、兀良哈左翼三萬戶和鄂爾多斯、土默特、永謝布右翼三萬戶，土默特部成為達延汗漠南蒙古六個萬戶之一。約當16世紀二十年代末期，達延汗之孫阿勒坦成為土默特萬戶的主要領主。隨後，阿勒坦與其兄墨爾根濟農一起，率領右翼諸部南征北戰，東打西伐，迅速壯大起來。約當1531年，整個土默特部已歸阿勒坦統轄。1538年，阿勒坦從中央汗廷獲得“索多”汗號。1542年，墨爾根濟農去世後，阿勒坦汗成為右翼諸部事實上的領袖。
隨著力量的增強，土默特部逐漸擴展其領地。16世紀中葉，阿勒坦汗“羨青海富饒”，“攜子丙兔等數萬眾襲據”其地，從此，丙兔及其部眾駐牧於該地，其後，右翼諸部首領率部接踵而來，甘、青一帶遂成為土默特部的領地。土默特蒙古族在西海地區活躍數十年，曾參與了明末清初的許多重大事件。直到現在，青海玉樹藏族自治州仍有蒙古勒津、永謝布的遺民在那裡生息。同時，阿勒坦汗及其長子都隆森格洪臺吉向東擴展勢力，以武力和聯姻等方式使兀良哈諸部歸附自己，把勢力發展到薊鎮以北廣大地區。其後，土默特人東徙者漸多。這些土默特部眾至後金興起後，於1628年降附清太宗皇太極，被劃分為土默特左、右兩旗，移住今遼寧省朝陽、阜新地區，以其民多為蒙古勒津人，故而習稱蒙古勒津旗（蒙古貞）。這就是東土默特。
阿勒坦汗在擴展自己勢力的同時，特別關注“振興十二土默特”。在其建立政權後，決策開發土默川，發展板升農業和手工業，保護畜牧業，興建城鎮、修築庫庫和屯（歸化城），引入藏傳佛教，制定成文法規，達成蒙明互市、實現蒙明友好等，使土默特部迅速強大起來，成為左右中國北方政局舉足輕重的力量，勢力達到東起薊鎮邊外，西達青海的廣大地區。土默川地區也是當時蒙古社會中較先進發達的地區。
1582年，阿勒坦汗病逝，土默特部失去了強有力的領袖，權力開始分散，各領主間爭奪部落、權位，終於釀成內亂，導致土默特部的分裂，右翼諸部紛紛脫離順義王的控制，使整個右翼力量大大的削弱。1628年，察哈爾部林丹汗率軍西征，土默特部抵抗失敗，許多部眾逃散；1632年，皇太極西征林丹汗，林丹汗渡河西走青海，後金佔據土默特地區；1636年，清廷詔編土默特部為左右兩翼，以古祿格為左翼都統，杭高為右翼都統，每翼一旗，設參領、佐領、驍騎校等官以統轄旗眾，從此土默特淪為“事事不得專擅”的內屬旗。
1723年（雍正元年）至1741年（乾隆六年），清廷先後在土默特兩翼境內設置歸化城、清水河、托克托、和林格爾、薩拉齊五廳，及管轄五廳的歸綏道，均隸屬山西省。設置道廳以後，土默特地區基本形成蒙漢分治局面。1739年（乾隆四年），滿州八旗駐防綏遠後，以建威將軍（後改綏遠城將軍）兼管土默特兩翼事務。1761年（乾隆二十六年），清廷裁撤兩翼都統，左右翼各留副都統一員。1763年，復裁副都統一員，並改為專城副都統，由朝廷揀員（多系滿員）充任，成為定製。土默特人被剝奪了旗權。從1644年（順治元年）到1675年（康熙十四年），清廷先後在土默特北境、西境、東境編設茂明安旗、烏拉特三公旗、四子部落王旗、達爾漢貝勒旗和察哈爾八旗（主要是西四旗），將土默特兩翼轄境劃定在南北205公里、東西175公里的範圍內。此外，清廷採用“效納”、“奏請”和劃撥等手段，徵用土默特兩翼牧場，大規模招民開墾大糧官地，使土默特兩翼牧場喪失殆盡，已經不能進行遊牧，迫使土默特蒙古族不得不由牧轉農。同時，大批的山西晉北地區、河北張家口地區、陝西榆林地區的漢族居民來此定居，墾荒種地，並有一批晉商亦隨之來此經商落戶，在本地區形成蒙、漢、回、滿等多民族聚居地。
1912年（民國元年），原屬山西歸綏道的各廳一律改縣，在土默特境內共有六縣，即歸綏縣、薩拉齊縣、托克托縣、和林格爾縣、清水河縣、武川縣（加上以後增設的包頭縣共七縣），均由山西委任知事（相當於縣長）。1914年（民國三年），袁世凱下令改綏遠為特別區，改綏遠將軍為都統，併兼任歸化城副都統。同年，土默特兩翼合為一旗，最高行政長官改為總管，副都統衙門改為總管署，直隸於綏遠特別區（後改為省）。改制後，先後10任總管均為客籍。1928年（民國十七年）7月，土默特人滿泰出任總管；1934年（民國二十三年），榮祥繼任總管，改旗名為土默特特別旗，總管署改為旗政府。
1937年10月，土默特地區淪陷，總管榮祥帶領一批旗政府官員撤退到陝北榆林。1938年2月，日寇重組偽旗署，屬偽蒙疆巴彥塔拉盟管轄，對土默特地區實施殖民統治。1945年日寇投降後，土默特旗恢復原建制，仍為總管旗。榮祥等返旗著手整頓旗務，竭力維護旗權旗產，但多方奔走，維護旗權的努力歸於失敗。1949年，對國民黨已不抱希望的榮祥，發起並參加綏遠和平促進會，進行反對內戰爭取和平的活動，接著在“九一九”和平起義通電上簽名，歷盡滄桑的土默特蒙古族人民終於迎來了解放的曙光。
1949年9月19日，綏遠省和平解放，根據和平解放有關條例，仍沿用舊政權土默特特別旗稱謂，建制和管轄範圍與解放前相同，旗政府設在舊城議事廳巷內。1950年3月1日，土默特旗人民政府正式成立，直屬綏遠省人民政府領導，為甲等旗，繼續維持蒙漢分治局面，行政區域不變，旗政府仍駐歸綏市（呼和浩特市）；
1953年11月26日，土默特旗各界人民代表會議通過結束旗縣並存局面的決議，1954年3月，撤消歸綏縣，以歸綏縣原轄地區為基礎；並將該縣鄰近各純蒙村及蒙民居住較多的村莊劃歸土默特旗。原屬土默特旗的第七區劃歸達茂旗，磴口鄉劃歸烏盟石柺礦區。土默特旗改由集寧專署領導。調整後，全旗總面積5807平方公里，全旗以歸綏縣原來區劃為基礎，建七個區、2個鎮、111個鄉和9個鄉級居民委員會。
1954個3月6日，撤消綏遠原建制，原轄區併入內蒙古自治區，撤消綏遠原集寧專員公署，成立平地泉行政區人民政府，土默特旗由平地泉行政區人民政府領導。
1956年9月，以土默特旗一、二、三、五區劃設呼和浩特市郊區。
1956年5月，土默特旗第五區的林壩、小林壩和姑姑板3個自然村劃歸和林格爾縣。1956年6月25日，根據憲法規定，土默特旗人民政府改為土默特旗人民委員會。1956年8月9日，原有111個基層鄉（委員會）合併為50鄉2個鎮。1956年9月2日，土默特旗攸攸板區的臺閣牧鄉、攸攸板鄉、壩口子鄉；羅家營區的羅家營鄉、小井鄉、陶思浩鄉、毫沁營鄉、不塔氣鄉；榆林鄉區的榆林鄉、保合少鄉、什字鄉、陶卜氣鄉、大窯子鄉；八拜區的巧報鄉、喇嘛營鄉等17個半鄉共21380戶、84729人劃入呼和浩特市郊區。
1956年11月11日，土默特旗人民委員會下令撤銷攸攸板區公所、羅家營區公所、榆林子區公所。以上三個區所屬各鄉，均由旗人民委員會直接領導。
1957年7月，撤銷美岱、八拜2個區公所，其所屬各鄉，直屬旗人民委員會領導。至此，全旗轄2個區、2個鎮、33個鄉。
1958年4月5日，平地泉行政區改為平地泉區專員公署，土默特旗改由平地泉區專員公署領導。1958年4月10日，撤銷茂林太、北什軸兩個區的建制。將原有33個鄉調整為21個鄉，加上察素齊、畢克齊兩個鄉鎮，全旗共有23個鄉級基層單位。
1958年5月15日，撤銷平地泉區專員公署，土默特旗改由烏蘭察布盟領導。1958年5月25日,撤銷薩拉齊縣,楊圪楞鎮、鄂爾格遜鎮、沙爾沁鄉劃入包頭市，其餘地區均併入土默特旗，旗政府暫駐薩拉齊鎮。
1958年5月1日，土默特旗所屬朱亥、美岱、討速號、八拜、毫沁營5個鄉歸呼和浩特市郊區。
1958年8月4日，土默特旗所屬後窯子鄉劃歸包頭固陽縣領導。
1960年2月1日，土默特旗由烏蘭察布盟劃歸呼和浩特市領導。6月，土默特旗人民委員會由薩拉齊鎮遷到察素齊鎮。同年11月1日，土默特旗所屬桃花人民公社劃歸呼和浩特市郊區領導。
1963年2月21日，土默特旗由呼和浩特市劃歸烏蘭察布盟領導。
1964年2月在察素齊鎮分設察素齊鄉，管轄農業人口。
1964年8月2日，呼和浩特市郊區所屬白廟子公社、臺閣牧公社、沙爾沁公社、沙爾營公社和桃花公社的甲爾旦、古爾丹壩、羊路什、大阿哥營、六犋牛5個大隊，劃歸土默特旗。
1965年3月27日，國務院決議撤銷土默特旗，改設土默特左右二旗。由於“文化大革命”的干擾，直到 1969年1月，土默特左旗和土默特右旗才正式分署辦公。土默特左旗政府駐地為察素齊鎮。
1971年，土默特左旗由烏蘭察布盟劃歸呼和浩特市管轄。
1981年8月，增設青山人民公社。全旗設19個人民公社和1個鎮。
1987年1月，察素齊鎮和公社合併,全旗設16個鄉、3鎮。
2001年，撤青山鄉、哈素鄉和此老鄉。同年,白廟子鄉建鎮； 2004年,臺閣牧鄉建鎮。
2006年，撤把什鄉、陶思浩鄉、大岱鄉、三兩鄉、兵州亥鄉、鐵帽鄉、沙爾營鄉，全旗轄5鎮4鄉。
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