石河子一帶在西漢文帝至東漢前期為烏孫東境。魏晉南北朝時期，先後為柔然、高車等國佔據。北周保定二年（公元５６２年）突厥葉護室點密建牙於鷹沙川，石河子歸其管轄。隋仁壽三年（公元６０３年），突厥分為東西兩部，石河子屬西突厥。唐貞觀二十二年（公元６４８年），西突厥首領阿史那賀魯依附唐朝，石河子遂歸屬於唐。唐顯慶三年（公元６５８年），唐朝軍隊平定阿史那賀魯之亂，石河子隸於安西都護府。北庭都護府建立後，改屬其管轄。唐開成五年（公元８４０年），葛邏祿與回鶻建立喀拉汗朝，石河子在其疆域之內。１２世紀中期，屬於西遼王朝。１３世紀初屬於察合臺汗國。元朝時隸於別失八里等處宣慰司。明朝時屬蒙兀兒汗國。１５世紀前期，衛拉特進入準噶爾盆地，石河子歸其管轄。清初為衛拉特准噶爾部呼拉瑪遊牧地。清乾隆二十六年（公元１７６１年），行屯田制，始設營屯。清乾隆三十九年（公元１７７４年）招民開墾，石河子一帶形成散落式村莊。清乾隆四十三年（公元１７８８年）設綏來縣，石河子在綏來縣治內。清光緒十年（公元１８８４年），新疆設行省，石河子為綏來縣西鄉村莊之一。民國三十三年（公元１９４４年），綏來縣編設二鎮五鄉，石河子為五鄉之一。１９４５年９月，“三區”民族軍進據後，石河子是沙灣縣管轄下的一個鎮。
中華人民共和國成立後，１９５０年１０月民主建政時，沙灣縣將所屬五個鎮鄉編為三個區，石河子為第三區，區公所駐石河子。
１９５０～１９５３年，中國人民解放軍新疆軍區二十二兵團司令部、政治部機關及其直屬隊、二十六師、騎兵第八師、軍區後勤運輸部生產總隊、騎兵第七師三十團先後進入石河子一帶墾殖，並在新疆軍區統一領導下，開始建設石河子新城。
１９５８年１１月，石河子區公所撤銷，成立星火人民公社。
１９６１年，經自治區批准，星火人民公社劃歸新疆軍區生產建設兵團。至此，石河子成為以農八師為主體，有兵團石河子生產管理處、工程建設第二師參加的共同開發建設的一個墾區。
１９７５年４月，新疆軍區生產建設兵團及其所屬師建制撤銷，成立石河子地區及石河子市。石河子地區轄石河子市及沙灣、瑪納斯兩縣，原兵團在石河子的直屬企業、事業單位、農八師全部、農七師下野地６個團場及瑪納斯新湖總場劃為石河子地區管轄。石河子市析沙灣縣石河子鎮等地而置，６月１５日宣告成立（國務院批准時間為１９７６年１月２日）。原兵團石河子指揮部所屬獨立團、五七農場、星火公社及農八師一四五團等單位劃歸石河子市管轄。
１９７８年９月，石河子地區撤銷，石河子市直屬自治區管理。
１９７９年２月成立石河子農工商聯合企業，與石河子市合署辦公，實行政企合一。
１９８１年１２月恢復新疆生產建設兵團，農八師建制同時恢復，與石河子農工商聯合企業為同一機構、兩塊牌子，繼續與石河子市實行政企合一、合署辦公。
１９８４年９月，自治區黨委、人民政府決定，石河子市為自治區直轄市，與農八師合組一個黨委，稱師市黨委至今。
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