历史上，双辽沃野千里，坦荡如砥。公元前的战国时期，曾有燕国军队突袭东胡，东胡人败退千里，退入双辽地域。留下珍贵历史文物。

西汉初年，约在公元前200年，夫馀人建立夫馀国（也称扶余），双辽正在古夫馀国的南部边境，与鲜卑为邻。当时另有夫馀人的一支向鸭绿江一带发展，并于公元209年在集安建立高句丽国，常向西北侵扰夫馀国。双辽以南的慕容氏鲜卑也在公元286年建立民族政权，史称前燕。鲜卑前燕的北部边境即为双辽境内的西辽河、新开河。慕容氏也不断侵扰夫馀国。此一时期的双辽战乱频繁，土地几易其主，居民不断迁徙。

公元386年，鲜卑人统一中国北方，建立了北魏政权，使得鲜卑人在双辽日盛。此后，由于鲜卑人大批内迁，中国东北境内的高句丽势力开始强大，双辽亦为高句丽所占。时间约在南北朝至唐初，即公元420年至667年之间。

公元618年，唐政权建立后，双辽之地隶属于大唐渤海郡夫馀府。在双辽桑树村遗址曾出土具有渤海文化特点的黑陶片、莲瓣纹瓦当、鸱尾和文字瓦。

公元916年，契丹人建立辽政权，契丹人和汉人进入双辽，这时双辽分属辽国的韩州、信州。双辽境内的辽代古墓葬分布很多，其中，骆驼岭辽墓规模较大，具有代表性。发掘时，发现经防腐处理的女尸皮肤有弹性，眼睛保存完好，面目清晰，说明当时的科技、文化水平及社会发展有较大进步，墓主人身份较高。

公元1125年，金延辽制，女真人建立了金国并仍将双辽分列韩州、信州。1984年，在双辽卧虎镇五星村发现一块四兽铜镜，是典型的金代遗物。明朝与北元之间著名的“金山之役”就发生在郑家屯北。双辽在明代先后归辽东都司三万卫、辽海卫、扶余卫管辖。到了清代，双辽被划归蒙古科尔沁部，遂成蒙古牧场。