木垒哈萨克自治县历史悠久。距今3000多年前即有人在县境内活动。西汉时期，汉朝政府于汉神爵二年（公元前60年）设西域都护，管理西域36国。木垒属蒲类后国，归西域都护管辖。唐代，唐朝政府统一西域后，于贞观十四年（640）在今吉木萨尔县设立庭州，并下设蒲类县，木垒属蒲类县，归庭州管辖。唐开元元年（713），唐政府设独山守捉于今木垒县境。清朝建立后，清政府在统一西域过程中，由于军事需要，于康熙五十七年（1718）从今巴里坤至木垒沿途修筑城堡。清雍正十年（1732），川陕总督宁远大将军岳钟琪以木垒地势扼要，奏移驻军，并修筑木垒城，城周长六百余丈。雍正十三年（1735），清政府定名木垒为“穆垒”。《新疆图志》载：“穆垒”即“蒲类”之转音也”。“蒲类”一词源于“蒲类海”，“蒲类海”即今巴里坤湖之古称。木垒因靠近巴里坤湖，故以湖而得名。后“穆垒”又逐渐演变为“木垒”。清乾隆二十四年（1759），清政府平定准噶尔部后，在东吉尔玛台（今东城镇）建奇台堡，设管粮巡检一员。二十六年（1761），清政府以木垒“地沃泉滋”，决定在此“募人大开阡陌”，并派驻绿旗兵木垒营。三十二年（1767），清政府从甘肃甘州招募屯民300户1000多人，安置在木垒、奇台屯田，次年两地屯民共开垦土地608公顷。三十八年（1773），设奇台县、木垒归奇台县管辖，隶属巴里坤镇西府。中华民国6年（1917），设木垒河县佐，隶属奇台县管辖。民国8年（1919），开始修筑木垒城，历时9年，初由民工修筑了部分城墙后停工，后由工程营兵完成筑城工程。民国19年（1930）3月，木垒建县，从奇台县划出，定名木垒河县，新疆和平解放后，1950年4月成立木垒河县人民政府，隶属迪化专区管辖。1954年3月，木垒河县改名为木垒县。同年7月，成立木垒哈萨克自治区。1955年3月，改称为木垒哈萨克自治县，下设5区19乡，隶属乌鲁木齐专区。1958年5月乌鲁木齐专区撤销后，隶属昌吉回族自治州至今。