大河原町には縄文時代早期（約6000年前）から人が住み始めました。4〜5世紀頃には小島地区に前方後円墳（嶋館古墳）が造られ、この地域に有力な豪族がいたことが推測されます。

平安時代の遺跡である中屋敷前遺跡からは、発掘調査により瓦葺きの礎石建物が建っていたことが確認され、柴田郡衙に関連した建物と推測されることから、この時代から柴田郡の中心地であったことが窺い知ることができます。

江戸時代になると奥州街道の宿場町となり、米や紅花の集積地として栄えました。また、大河原は仙台藩の直轄地となり代官所や藩主の宿泊施設であった御仮屋が置かれていました。

明治時代以降は、国や県の出先機関が置かれ官庁の町として発達し、昭和31年9月に大河原町と金ヶ瀬村が合併して、現在の大河原町が誕生しました。