战国公元前286年，齐国灭宋国，沛暂属齐。公元前284年，五国伐齐，楚国占领宋国淮北故地，沛改属楚。

秦灭六国后，设沛县，属泗水郡。

西汉建立后，沛县属楚国，汉高帝十一年立刘濞为沛侯，属中央直辖。高帝十二年，改立刘濞为吴王，沛归楚国管辖。吕后元年封吕种为沛侯，由中央直辖，吕后七年改吕种为不其侯，吕后八年吕后亡，平诸吕乱后，沛又归属楚国。

景帝三年即公元前154年，景帝从楚国辖县析置一个新郡---沛郡，郡名取自汉高祖故里沛县。

三国时期，曹魏的缔造者曹操是沛国西部的谯县人氏，他将原沛国包括郡治相县在内的绝大部分被划归新建的谯郡，沛国范围大大缩小，废国改沛郡，治所也由相县（今安徽淮北相山区）迁移到了沛县（今江苏沛县）。

北齐天宝元年（550）撤销沛郡，沛县隶属彭城郡。

隋、唐时隶属徐州。

宋金议合后，沛县入金。金天兴二年（1233），沛地升格称源州。

元代沛县先后属济宁府、济宁州。

明、清雍正十一年前隶属徐州直隶州，雍正十一年后属于徐州府。

民国初年隶属徐海道。

1938年徐州沦陷后属于短暂属于徐州维持会。

1939年伪苏北行政专员公署成立后属于苏北行政专员公署，后隶属于改过名字的苏淮行政专员公署。

1944年伪淮海省成立属于伪淮海省。

1945年日本投降后仍属于江苏省政府。

1948年11月沛县解放，正式组建沛县民主政府，隶属于冀豫行署湖西专员公署。

1953年1月，隶属于徐州地区专员公署，不久复归江苏省管辖。

1983年1月，实行市管县体制，沛县隶属徐州市。