Préhistoire
Les premières traces de peuplement de la région sont attestées dès le Paléolithique moyen avec les industries moustériennes. Quelques éléments d'industrie lithique plus ancienne (bifaces) ont été rapportés mais sans datation précise. Vers 15 000 av. J.-C., on constate une occupation plus importante du territoire à la suite du recul du glacier du Rhône qui libéra des terres. Ce peuplement semblait se constituer principalement de chasseurs et de pêcheurs, qui ont aussi laissé un important mobilier et des œuvres d'art réputées comme à la grotte de la Colombière.
Des traces d'habitats datant du mésolithique (abris de Sous-Sac à Craz près d'Injoux, de Thol, et de Sous-Vargonne en vallée du Suran , grottes du Pelat à Andert-Condon, de Souhait à Montagnieu, de Mopart à Glandieu) et du néolithique (abri du Roseau dans la vallée du Suran, grotte des Batteries Basses à Virignin ont été retrouvées.
Des découvertes de l'âge du bronze (saumons de cuivre de Seyssel, poteries, bracelets et armes décorées à Saint-Bernard, Peyzieux-sur-Saône, Beynost, Lompnas, Brégnier-Cordon) témoignent des activités de l'époque.
Les cultures de Halstatt et de la Tène exercèrent plus tard leurs influences dans le domaine de la transformation du fer.

Période gauloise et conquête romaine
En Gaule, cinq peuples se partageaient la région : les Séquanes, les Ambarres, les Éduens, les Ségusiaves et les Allobroges. Mais les déplacements des Helvètes, à la suite des pressions exercées par les peuples germains, provoquent des tensions. C'est à cette même période que Jules César entame sa conquête de la Gaule. Au IIe siècle, deux grands ensembles divisent alors l'Ain : la Grande Séquanaise et la Lyonnaise.
Parmi les vestiges de l'époque romaine se trouvent le temple romain d'Izernore et l'aqueduc de Vieu.

Moyen Âge
La fin de l'Empire romain vers 450, à la suite des invasions barbares, entraîne le passage du pays de l'Ain au cœur du royaume burgonde puis plus tard au royaume franc. Au début du VIe siècle, le diocèse de Belley est créé en conséquence des progrès de la christianisation dans la région.
L'époque carolingienne se caractérise par une subdivision de l'Ain en plusieurs "pagi" (pays) gouvernés par des comtes qui constitueront plus tard les grands fiefs qui apparaîtront à la fin du IXe siècle.
En 843, le traité de Verdun aboutit au partage du royaume entre les trois fils de Louis le Pieux. L'Ain fait partie du royaume de Lothaire Ier alors que la Bresse revient à Charles le Chauve. Les frontières ouest (la Saône) et nord du futur département sont alors fixées et ont constitué une limite culturelle entre le nord (langue d'oïl) et le sud (franco-provençal).

États de Savoie
Au XIe siècle, les comtes de Savoie s'installent dans la région de Belley et en Valromey. Ils vont peu à peu s'étendre jusqu'au début du XVe siècle, permettant ainsi d'unifier progressivement les différents pays de l'Ain.
En 1272, la Bresse leur est donnée en dot puis le Revermont cédé par le duc de Bourgogne. Cette volonté expansionniste se heurte au Dauphiné qui convoite les mêmes régions, et, au début du XIVe siècle, la guerre entre la Savoie et le Dauphiné éclate. Cette guerre prend fin avec le traité de Paris en 1355.
Le château de Pont-d'Ain est l'une des résidences favorites des princes. Louise de Savoie, mère de François Ier, y naît en 1476.

Du rattachement à la France à la Révolution
La guerre qui oppose Henri IV et Charles-Emmanuel Ier de Savoie prend fin au traité de Lyon de 1601, négocié par René de Lucinge, seigneur des Allymes. La France cède le marquisat de Saluces et reçoit en contrepartie les provinces savoyardes de la rive droite du Rhône, qui sont rattachées à la province de Bourgogne. Seule la vallée de la Valserine reste au duché de Savoie jusqu'en 1760.
Demeurée hors du royaume, la principauté de Dombes est quant à elle finalement cédée par son souverain au roi de France en 1762.
Le département de l'Ain est créé en 1790 suivant des frontières définies depuis le Moyen Âge. L'Ain est alors divisé en 9 districts, 49 cantons et 501 communes-paroisses.

Révolution et création du département
Le département de l'Ain a été l'un des 83 départements créés à la Révolution française, le 4 mars 1790, en application de la loi du 22 décembre 1789, à partir de quatre provinces : la Bresse, le Bugey, la Dombes, le pays de Gex et d'une partie de la province de Franc-Lyonnais.
La Bresse, le Bugey et le pays de Gex étaient administrés selon les coutumes de la Bourgogne depuis leur cession par les ducs de Savoie à la France en 1601.
Initialement dénommé département de Bresse dans les documents de travail, le territoire s’appelle département de l’Ain dès sa création en mars 1790. Toutefois, département de Bresse concurrence parfois le nom officiel jusqu’en 1791 avant de s’effacer totalement dans le cadre de l'éradication des références toponymiques de l'Ancien Régime durant la Révolution française,.
De 1791 à 1793, les neuf districts (Pont-de-Vaux, Bourg, Nantua, Gex, Belley, Saint-Rambert, Montluel, Trévoux et Châtillon-les-Dombes) du département de l'Ain fournirent douze bataillons de volontaires nationaux.
Par décret du 19 ventôse an II (9 mars 1794), les 2 Seyssel sont fusionnés à l'intérieur du département de l'Ain. Cette situation durera jusqu'en 1815, le traité de Paris fixera la frontière internationale à nouveau sur le Rhône. En 1860, la frontière ne sera plus que départementale.
Le pays de Gex en fut séparé de 1798 à 1814 quand fut créé le département du Léman.

Du XIXe siècle à aujourd'hui
Après la victoire des coalisés à la bataille de Waterloo (18 juin 1815), le département est occupé par les troupes autrichiennes de juin 1815 à novembre 1818 (voir occupation de la France à la fin du Premier Empire). En 1815, afin de relier Genève à la Suisse, six communes de l'Ain (Collex-Bossy, Le Grand-Saconnex, Pregny, Vernier, Meyrin et Versoix) ainsi qu'une partie de Sauverny[réf. souhaitée] sont cédées au canton de Genève.
Après le coup d'État du 2 décembre 1851 de Napoléon III, l'Ain fait partie des départements placés en état de siège afin de parer à tout soulèvement massif. Moins d'une centaine d'opposants sont arrêtés.
Six communes du Sud-Ouest du département, dans la banlieue lyonnaise ont été rattachées au département du Rhône en 1967 lors de la création de la communauté urbaine de Lyon : Rillieux y compris le hameau de Vancia détaché de Miribel, Crépieux-la-Pape, Genay, Montanay, Sathonay-Camp, Sathonay-Village. Selon une proposition de loi datant de 1965, il était prévu de faire de même avec les communes de Tramoyes, Mionnay, Neyron, Miribel, Saint-Maurice-de-Beynost, Beynost et Thil.
Au 1er janvier 2016 la région Rhône-Alpes, à laquelle appartenait le département, fusionne avec la région Auvergne pour devenir la nouvelle région administrative Auvergne-Rhône-Alpes.