เมืองอุทัยธานีมีหลักฐานทางด้านประวัติศาสตร์ของกรมศิลปากรยืนยันไว้ว่า เป็นที่อยู่อาศัยของมนุษย์ก่อนประวัติศาสตร์ เมื่อประมาณ 3,000 ปี มาแล้ว โดยพบหลักฐานยืนยันในหลายพื้นที่ เช่น โครงกระดูก เครื่องมือหินกะเทาะจากหินกรวด ภาพเขียนสมัยก่อนประวัติศาสตร์บนหน้าผา (เขาปลาร้า) เป็นต้น

ตำนานเก่าเล่าว่า ในสมัยกรุงสุโขทัยเจริญรุ่งเรืองนั้น ท้าวมหาพรหมได้เข้ามาสร้างเมืองที่บ้านอุทัยเก่า คือ อำเภอหนองฉางในปัจจุบันนี้ แล้วพาคนไทยเข้ามาอยู่ท่ามกลางหมู่บ้านคนมอญและคนกะเหรี่ยง จึงเรียกว่า "เมืองอู่ไทย" ตามกลุ่มหรือที่อยู่ของคนไทยซึ่งพากันตั้งบ้านเรือนอยู่อย่างหนาแน่น มีพืชพันธุ์และอาหารอุดมสมบูรณ์กว่าแห่งอื่น ต่อมากระแสน้ำเปลี่ยนทางเดินและเกิดกันดารน้ำ เมืองอู่ไทยจึงถูกทิ้งร้าง จนในที่สุด พะตะเบิดได้เข้ามาปรับปรุงเมืองอู่ไทย โดยขุดที่เก็บกักน้ำไว้ใกล้เมือง และพะตะเบิดได้เป็นผู้ปกครองเมืองอู่ไทยเป็นคนแรกในสมัยกรุงศรีอยุธยา

เมืองอู่ไทยต่อมาได้เรียกกันเป็น "เมืองอุไทย" คาดว่าเพี้ยนไปตามสำเนียงชาวพื้นเมืองเดิม ได้มีฐานะเป็นหัวเมืองด่านชั้นนอก มีพระพลสงครามเป็นนายด่านแม่กลอง และพระอินทรเดชเป็นนายด่านหนองหลวง (ปัจจุบันแม่กลองคืออำเภออุ้มผาง จังหวัดตาก และหนองหลวงคือตำบลหนองหลวง อำเภออุ้มผาง) คอยดูแลพม่าที่จะยกทัพมาตามเส้นทางชายแดนด่านแม่ละเมา

ต่อมาในรัชสมัยสมเด็จพระเอกาทศรถ (พ.ศ. 2148-2163) ได้โปรดเกล้าฯ ให้บัญญัติอำนาจการใช้ตราประจำตำแหน่ง มีบัญชาการตามหัวเมืองนั้น ได้ระบุในกฎหมายเก่าลักษณะพระธรรมนูญว่า "เมืองอุไทยธานี เป็นหัวเมืองขึ้นแก่มหาดไทย"

เมืองอุไทยธานีเป็นเมืองที่อยู่บนที่ดอนและลึกเข้าไป ไม่มีแม่น้ำสายใหญ่และไม่สามารถติดต่อทางเรือได้ ดังนั้นชาวเมืองจึงต้องขนข้าวบรรทุกเกวียนมาลงที่แม่น้ำ จึงทำให้พ่อค้าพากันไปตั้งยุ้งฉางรับซื้อข้าวที่ริมแม่น้ำจนเป็นหมู่บ้านใหญ่ เรียกว่าหมู่บ้าน "สะแกกรัง" เนื่องจากเป็นพื้นที่มีป่าสะแกขึ้นเต็มริมน้ำและมีต้นสะแกใหญ่อยู่กลางหมู่บ้าน บ้านสะแกกรัง ชาวจีนเรียกเพี้ยนเป็น "ซิเกี๋ยกั้ง" เป็นตลาดซื้อข้าวที่มีพ่อค้าคนจีนนิยมไปตั้งบ้านเรือนและยุ้งฉาง ต่อมาในระยะหลังได้มีเจ้านายและขุนนางมาตั้งบ้านเรือนอยู่ เพราะความสะดวกในการกะเกณฑ์สิ่งของส่งเมืองหลวงซึ่งเป็นจำพวกมูลค้างคาว ไม้ซุง กระวาน และช้างป่า อีกทั้งยังมีช่องทางในการค้าข้าวอีกด้วย

ในรัชสมัยสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวท้ายสระ (พ.ศ. 2251-2275) นั้น จมื่นมหาสนิท (ทองคำ) ซึ่งย้ายมาตั้งบ้านเรือนอยู่ที่บ้านสะแกกรังนั้น ได้รับแต่งตั้งเป็นพระยาราชนิกูล และต่อมาได้กำเนิดบุตรชายคนโตชื่อ "ทองดี " เกิดที่สะแกกรัง สมเด็จพระปฐมบรมมหาชนกฯ พระนามเดิม ทองดี เดิมทรงรับราชการในแผ่นดินสมเด็จพระบรมราชาธิราชที่ 3 (พระเจ้าบรมโกศ) ได้ดำรงตำแหน่งพระอักษรสุนทร เสมียนตรากรมมหาดไทย ถึงรัชกาลสมเด็จพระบรมราชาที่ 3 (พระเจ้าเอกทัศ) พม่ายกกองทัพมาล้อมกรุงศรีอยุธยา เกิดการระส่ำระสายแตกสามัคคีในพระนคร จึงทรงอพยพครอบครัวไปรับราชการกับเจ้าเมืองพิษณุโลก ได้รับแต่งตั้งเป็นเจ้าพระยาจักรีศรีองครักษ์ สมุหนายกอัครมหาเสนาบดี อภัยพิริยปรากรมพาหุ ต่อมาทรงพระประชวร สิ้นพระชนม์ในเมืองพิษณุโลก บุตรชายชื่อ "ทองด้วง" ภายหลังได้รับราชการเป็นสมเด็จเจ้าพระยามหากษัตริย์ศึก ปราบจลาจลในกรุงธนบุรี และสถาปนาเป็นกษัตริย์ราชวงศ์จักรีปกครองแผ่นดินทรงพระนามว่า "พระบาทสมเด็จพระพุทธยอดฟ้าจุฬาโลก" ทรงอัญเชิญพระอัฐิส่วนหนึ่งประดิษฐาน ณ หอพระในพระบรมมหาราชวัง เพื่อให้พระบรมวงศานุวงศ์และข้าราชการถวายบังคมในพระราชพิธีถือน้ำพระพิพัฒน์สัจจาในฐานะสมเด็จพระปฐมบรมมหาชนกแห่งราชวงศ์จักรี พระอัฐิอีกส่วนหนึ่ง กรมพระราชวังบวรมหาสุรสิงหนาท อัญเชิญเข้าประดิษฐานในพระเจดีย์ทองในพระมณฑปวัดมหาธาตุยุวราชรังสฤษดิ์ มีประเพณีที่พระมหากษัตริย์ทรงตั้งเครื่องทองน้อย เพื่อสักการบูชาทุกครั้งที่เสด็จพระราชดำเนิน

พ.ศ. 2376 ข้าราชการชาวกรุงเทพฯ ผู้ซึ่งได้รับการแต่งตั้งให้เป็นพระยาอุไทยธานี เจ้าเมืองอุไทยธานีในสมัยนั้น ได้เห็นว่าบ้านสะแกกรังเป็นตลาดใหญ่ มีผู้คนอพยพเข้ามาอยู่กันอย่างหนาแน่น อีกทั้งเป็นสถานที่ที่ชาวอุไทยธานีติดต่อค้าขายข้าวและไม้ซุงกับพ่อค้าที่นั่นมานานแล้ว จึงคิดตั้งบ้านเรือนเพื่อค้าขาย ประจวบกับเวลานั้น เจ้าเมืองไชยนาทเป็นเพื่อนกัน จึงขอตั้งบ้านเรือนที่ริมแม่น้ำสะแกกรัง เนื่องจากผู้คนมาติดต่อราชการและมาค้าขายกันมาก ทั้งนี้ เนื่องจากเจ้าเมืองไม่กล้าขึ้นไปเมืองอุไทยธานีเก่า อ้างว่ากลัวไข้ป่า จึงเป็นเหตุให้พากันอพยพมาอยู่กันมากขึ้น

พ.ศ. 2391 ได้มีการแบ่งเขตดินแดนเมืองอุไทยธานีและเมืองไชยนาท โดยตัดเขตบ้านสะแกกรังทางฝั่งคลองฟากใต้ ตั้งแต่ท้ายบ้านสะแกกรังไปจดเมืองอุไทยธานีเก่า โอนที่นั่นจากเมืองไชยนาทเป็นของเมืองอุไทยธานี ดังนั้นเมืองอุไทยธานี จึงตั้งอยู่ที่ปลายสุดเขตแดนเมืองมโนรมย์ ข้างใต้บ้านลงมาสักคุ้งน้ำหนึ่งก็เป็นแดนเมืองไชยนาท

พ.ศ. 2441 เมืองอุไทยธานีขึ้นกับมณฑลนครสวรรค์ ต่อมาในสมัยรัชกาลที่ 6 ได้เปลี่ยนไปขึ้นกับมณฑลอยุธยา สุดท้ายมีการประกาศเลิกมณฑลปี พ.ศ. 2476 และจัดให้จังหวัดเป็นหน่วยปกครองส่วนภูมิภาคที่สำคัญที่สุด โดยมีผู้ว่าราชการจังหวัดเป็นผู้รับผิดชอบ ตั้งแต่บัดนั้นมาจนถึงปัจจุบัน