公元前316年，战国时期，秦国兼并了蜀国，设立了蜀郡。

西汉元封5年（公元前106年），巴、蜀二郡划入全国十三州之一的益州。新莽地皇5年（24年），蜀郡太守公孙述起兵占据益州称帝，取起于成都之意号成家。

东汉建武12年（36年），益州重归中央政权管辖。东汉末年黄巾起义后，益州牧刘焉、刘璋父子割据四川，后为刘备所灭。221年，刘备称帝，国号"汉"，史称"蜀汉"，建都成都，263年灭于曹魏。

265年四川归西晋王朝统治。306年李雄起义成功，攻克成都，建立大成国。347年大成国被东晋所灭。南北朝时，归南朝统治。

581年归隋朝统治。隋文帝时期，四川西部高原和临近云南的地区得到了一定的开拓。618年唐朝建立后，属剑南道及山南东、西等道。965年归宋朝统治，置川陕路。

北宋咸平四年（1001年），今川地区分为益州（今成都）、梓州（今三台）、利州（今广元）、夔州（今奉节）四路，合称“川峡四路”，简称“四川行省”，是为四川建省之始。

晋初年，划出益州一部设梁州。西晋末年，李特率流民起义军攻入益、梁二州。东晋永安元年（304年），李特侄子李雄在成都称王，史称成汉。347年被东晋所灭。南北朝时，益、梁二州先后成为南朝的宋、齐、梁和北朝的西魏、北周的统治地区，州、郡、县的建置和更改十分频繁，数量有所增加。唐代，改益州为剑南道，梁州为山南西道。县的建置将近300个。在川西高原，设立了很多羁縻州、县，以加强民族地区的管理。今凉山彝族自治州地区，则属南诏地方割据政权。五代时期，前“蜀”王建（907年-925年）和后“蜀”孟知祥（934年-965年），又先后在今四川地区建立过地方割据政权。

元朝至元23年（1286年）设“四川行中书省”，简称“四川行省”，是为“四川”建省之始。同时对州县大加减并，基本形成了如今县的分布格局。当时，川西高原北部，属“陕西行中书省”。今凉山彝族自治州地区，属“云南行中书省”。元末红巾军起义后，1361年，明玉珍及其子明昇在四川建立“大夏”政权，建都重庆，1372年为明朝所灭。

明清时期，四川省辖境己达川西高原和凉山地区。明代，四川是全国13行省之一，辖区除今四川、重庆外，还包括今贵州省遵义和云南东北部及贵州西北部。在川西高原地区设立卫所，进行军屯。明末，农民军领袖张献忠在四川建立过“大西”农民革命政权（1644年－1646年），建都成都。

清初，分全国为18行省，并对川、滇、黔3省省界进行较大调整，基本确定了今四川的南部省界。清中叶，在府、州、厅、县之上，增设五道，即：成绵龙茂道、建昌上南道、川南永宁道、川北道、川东道，以道辖该地区的府、州、厅、县。在川西高原少数民族聚居地区，从清初至清末，实行"改土归流"。

1911年，成都独立成立军政府，独立于清朝；民国元年（1912年），撤销道一级建置，改为省直辖府、州、厅、县。民国二年（1913年）袁世凯企图恢复帝制，实行“军民分治”，废省改道，将四川地区分为川西、上川南、下川南、川北、川东和边东、边西7道，后改盆地5道名为西川、建昌、永宁、嘉陵、东川。同时废府、州、厅建置，将县直隶于道。民国三年（1914年），裁去边东、边西两道，划康定县以西30个县为川边特别区域（包括金沙江以西的昌都地区），受四川省节制。