早在远古时期，就有人类在吉林省这块土地上繁衍生息。距今约5～1万年前出现的“寿山仙人洞”、“榆树人”、“安图人”、“青头山人”，是吉林省古人类文明形成的重要标志。
舜、禹至夏商周时代，吉林省境内的古代民族就开始与中原王朝建立了具有隶属性质的贡纳关系并逐渐成为中华民族的重要组成部分。这一时期形成了肃慎、濊貊、东胡、山戎、夫余等各民族地方政权。
汉武帝元封三年（前108），灭卫满朝鲜设玄菟郡，管辖吉林省东南部。东部和南部的长白、图们、敦化、和龙、汪清、龙井、珲春、延吉等市县，先后属苍海郡、临屯郡、乐浪郡；通化、集安、梅河口、靖宇、白山等市县则先后属真番郡、玄菟郡。这是吉林地区进入中原王朝行政建置之始。
前37~668年间，高句丽活跃于吉林省，曾定都于集安丸都山和国内城，与东汉、曹魏、隋朝等中央政权时战时和，鼎盛时期其势力范围包括吉林东南部、辽河以东和朝鲜半岛北部。
唐高宗总章元年（668），唐朝和新罗联合灭高句丽，设置安东都护府， 西北部地区属唐室韦都护府。 圣历元年（698），粟末靺鞨首领大祚荣，在敦化东牟山立“震国”，先天二年（713）受唐玄宗册封始号渤海国，统治了吉林省大部分地区。后曾定都和龙和珲春，926年为契丹所灭，设东丹国，在西部设黄龙府。
辽朝时期，吉林省大部分隶属东京道，西部为上京道管辖。
金朝在其辖境设上京路、北京路、东京路、成平路、海兰江路，基本覆盖今吉林省全境。 贞祐三年（1215）女真人蒲鲜万奴建立东真国，1233年为蒙古所灭。
元朝隶属于辽阳行省，为开元路、北达达路、中书省泰宁路及中央枢密院直领的成平府辖区。
明朝大部分隶属奴儿干都司，西部的洮南一带属大宁都司的泰宁卫，东南部一带为建州卫，为建州女真发源地之一。
清顺治十年（1653年），设宁古塔昂邦章京。清康熙十二年（1673年），清廷建吉林城，命名“吉林乌拉”，吉林由此得名，随后宁古塔将军驻地迁移至吉林市。
乾隆五年（1740）颁布了“流民归还令”，对山海关以东地区施行封禁政策。但清政府的封禁政策并未能阻止为生活所迫的华北大批汉族农民流入吉林省中部一带，并向北、向东、向西扩展。
1757年，宁古塔将军改为吉林将军，“吉林”由原来城邑名称扩大为行政区称谓。 吉林将军辖区大体包括松花江、绥芬河、牡丹江、图们江流域，西起开原威远堡边门，东至乌苏里江两岸和库页岛在内的沿江及海中诸岛，北起外兴安岭至日本海及黑龙江下游，南至长白山区。
1800年，增设长春厅，为长春建制之始。1803年（嘉庆八年），清政府废止禁令。
1860年，中俄签订了《中俄北京条约》，原属吉林省的沿海地区被割让给俄国，吉林变成了内陆省。
1878年（光绪四年）吉林设置垦务局，大事垦殖，经济面貌大为改观，并逐步形成东部的农林地区，中部的农业地区和西部农牧地区的差异特点。
1907年，正式建吉林行省，设吉林巡抚（吉林省第一任巡抚为顾肇熙），省会设于吉林市。光绪帝尝试通过政治改革挽回清朝内忧外患的局面，他首先发布谕旨：裁撤东北三将军，设立奉天（今辽宁）、吉林、黑龙江三省；改盛京将军为东三省总督。
1908年，吉林省组成巡抚衙门，吉林将军、吉林分巡道随之废除，吉林巡抚成为吉林省最高民政长官，并兼理旗务。同年，吉林省仿照关内行省之例，先后在省下置四路分巡兵备道。
1912年吉林省作为南京临时政府的22行省之一，区划沿清旧制不变。2月12日，清朝末代皇帝爱新觉罗·溥仪下诏退位，268年的清朝统治与两千多年的封建帝制宣告结束。4月15日，袁世凯下令各省督抚均改称都督。陈昭常任吉林省都督。
1926年，中共北满地委在吉林省建立长春支部。 1930年，于和龙县药水洞成立东北地区第一个农村苏维埃政权。“九·一八”事变前，边界状况是：西界奉天，北界黑龙江，南至图们江外韩国，东界苏联。
二十世纪初，东北成为俄、日帝国主义进行殖民扩张的角逐之地。在五四运动的推动和后来五卅运动的影响下，吉林大地不断掀起反帝爱国斗争风潮。民族工商业有所发展，出现了更多具有近代规模的城市。1932~1945年期间，吉林省为东北抗日义勇军和东北抗日联军的游击战场，这一时期有杨靖宇、魏拯民、王德泰、王德林等抗日英雄。
1931年9月18日，日本帝国主义悍然发动“九一八事变”，侵占了中国东北，吉林沦为日本的殖民地。9月19日，日军占领长春、四平等地。21日，吉林城沦陷。吉林省代主席、东北边防军副司令长官公署参谋长熙洽降日。11月12日，吉林省抗日政府在宾县成立，诚允任代理主席。1932年3月9日，伪满洲国傀儡政权正式建立，以溥仪为执政，年号“大同”，定都“新京”（今长春）。1934年，日本改“满洲国”为“满洲帝国”，改“执政”为“皇帝”，改年号“大同”为“康德”。
1945年8月8日，苏联对日宣战。9日零时，苏军向日本关东军发动全面进攻。8月15日，日本天皇宣布无条件投降，吉林光复。8月18日，溥仪在通化宣布退位，伪满洲国灭亡。
1945年10月25日，中共中央东北局决定在长春成立吉合区党委。同时成立吉合区行政委员会，主任委员周保中。辖区包括吉林、合江以及松江之珠河以东地区。这是吉林省建立的第一个省级人民政权。11月10日，中共中央东北局决定撤销吉合区党政军机构，成立中共吉林省工作委员会。12月27~30日，在永吉县岔路河镇召开吉林省人民代表会议，出席会议的正式代表55人，列席代表9人。周保中任中共吉林省政府主席。
吉林省政府成立时，省属市县已由1945年11月10日中共吉林省工委成立时辖属的3市23县，调整为辖长春、吉林2市和长春、榆树、德惠、九台、通阳、永吉、蛟河、舒兰、磐石、桦甸、敦化、延吉、和龙、汪清、珲春、安图等16县，至1946年5月下旬部分市、县被国民党军占领之前，均已成立了市、县政府，辖区人口650余万人。
1945年11月25日，中共永吉地委征得驻吉苏军同意，成立吉林市民主政府，至1946年5月28日随军撤出，吉林市被国民党军队占领。
1945年8月，日本战败投降，国民党成立“吉林地方治安维持会”。后把东北划成9省，吉林省领长春、吉林2市和永吉、榆树等18县1旗。
1946年5月，共产党军队从吉林市撤出，国民党在此成立了吉林省政府。同时中共发起了四次“四平战役”。
1946年11月，在吉林东南部发起了“三下江南，四保临江”，成功粉碎了国民党军队的进攻。
1948年3月9日，中共占领吉林市。3月10日，中共吉林省政府迁至吉林市。
1948年10月19日，驻长春国民党守军起义投诚，长春解放。自此吉林省全境解放。
1949年4月21日，长春市政府由东北行政委员会直属改由吉林省政府直属，东北划分为6省。
新中国建立初期，吉林省辖2个市、2个专区、1旗、22个县和1个工业特区。
1954年，东北行政区划调整，将原黑龙江省的7个县划归吉林省，与原属吉林的乾安县共同组建白城专区；将原辽东省的1市9县划归吉林省，设立通化专区；将原辽东省的辽源市、西安县、东丰县和原辽西省的四平市、双辽县、梨树县划归吉林省管辖。东北6省改为4省，吉林省与黑龙江省、辽宁省以两省新划归吉林省的市、县界线为省界，与朝鲜、苏联国界仍旧。
1954年9月27日，长春直辖市改为省辖，省会迁往长春。
1969年，内蒙古自治区的哲里木盟和呼伦贝尔盟的1县1旗划归吉林省，1979年又划归内蒙古自治区。从此，吉林省行政区划延续至今。
2016年2月3日，《国务院关于同意设立长春新区的批复》（国函〔2016〕31号）同意设立长春新区。长春新区范围包括长春市朝阳区、宽城区、二道区、九台区的部分区域，规划面积约499平方公里。
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