香沉镇历史十分悠久。镇境先后隶属阆中县、胡原县、临津县、普安县、剑州、剑阁县管辖。南朝齐时期（公元479年至502年）至唐乾元元年（758年）期间依次为胡原县、临津县治所。民国二十四年（1935年）始置基层建制延续至今。
民国以前
周慎靓王五年（秦惠文王后元九年，公元前316年），秦灭巴国后行郡县制，置阆中县（治今阆中），属巴郡（治今重庆），今香沉境域属阆中县。两汉、三国、两晋、南北朝南朝宋、齐时期隶属不变，期间阆中县先后改属巴西郡、北巴西郡。
南北朝南齐时代（公元479—502年）在此始设置胡原县（治今剑阁县香沉镇群英村1组），属北巴西郡（治今阆中市区）。南朝南梁时仍置，属南梁北巴州北巴西郡（州郡同治今阆中市区）。南朝梁天监十八年（公元519年）改属辅剑郡（扶风郡更名，治今剑阁县武连镇，属南梁州）。南朝梁天监四年（公元505年）至大同元年（公元535年）其间30年，南梁州3郡及属县（包括胡原县）并入北朝北魏。南梁末，武陵王据蜀称帝，改南梁州名安州（治今剑阁县普安镇），仍领原郡县，胡原县仍属之。北朝西魏废帝二年（公元553年）改南梁北巴州为隆州，胡原县属隆州盘龙郡（州郡同治今阆中市区）。西魏废帝三年（公元554年），西魏攻下安州，以“先下安州，始通巴蜀”改安州为始州（治今剑阁县普安镇），领普安、黄原、安都、潼川4郡6县，胡原县属始州普安郡（州郡同治今剑阁县普安镇）。北朝北周时仍置，始州改属利州总管府（治今广元市区），其余隶属不变。
隋文帝开皇七年（公元587年），胡原县改置为临津县（治今剑阁县香沉镇群英村1组），直属始州（治今剑阁县普安镇）。隋炀帝大业三年（公元607年）始州改为普安郡（治今剑阁县普安镇），临津县直属之。
唐高祖武德元年（公元618年）普安郡复称始州（属利州总管（都督）府），临津县仍属之。唐玄宗先天二年（公元713年）改始州为剑州（治今剑阁县普安镇），“取剑阁为名也”，临津县仍属之。唐玄宗天宝元年（公元742年）改剑州为普安郡，临津县仍属之。唐肃宗乾元元年（公元758年），普安郡复名剑州，同年临津县治所迁至今剑阁县白龙镇，仍属剑州，今香沉境域不再作为县治驻地。
五代十国前蜀、后唐、后蜀时临津县（治今剑阁县白龙镇）仍置，今香沉境域属之。
北宋太祖乾德三年（公元965年）置剑州普安军（治今剑阁县普安镇，属西川路，973年改属峡西路），临津县仍属，今香沉境域属之。北宋太宗太平兴国（公元976—984年）前后，置香城镇（治今剑阁县香沉镇） ，属剑州（治今剑阁县普安镇，咸平四年（公元1001年）后改属利州路）普成县（治今剑阁县王河镇）。北宋神宗熙宁五年（公元1072年）废临津县（治今剑阁县白龙镇）并入普安县（治今剑阁县普安镇，属普安郡（剑州改置，治今普安镇））为临津镇（治今剑阁县白龙镇），后不复置。今香沉境域改属普安县管辖。南宋孝宗隆兴二年（公元1164年），因宋孝宗“藩邸”（宋孝宗即位前曾被封普安郡王）升剑州为普安军节度（治今剑阁县普安镇，属利州东路），今香沉境域属利州东路普安军普安县。南宋光宗绍熙元年（公元1190年）普安军再升为隆庆府，今香沉境域属隆庆府普安县（府、县同驻今剑阁县普安镇）。
元朝至元二十年（公元1283年）改隆庆府为剑州，今香沉境域属四川等处行中书省广元路（驻绵谷县，今广元市利州区）剑州普安县（州、县同驻今剑阁县普安镇）。
明太祖洪武六年（公元1373年）废普安县并入剑州；洪武九年废剑州；洪武十三年（公元1380年）复置剑州（属四川承宣布政使司保宁府（治今阆中市保宁街道）），今香沉境域属之。
清朝同治十一年（公元1872年），今香沉境域隶属剑州（治今剑阁县普安镇，属嘉陵道保宁府）隆礼保（治火烧寺，今剑阁县鹤龄镇）。
民国时期
中华民国二年（1913年），今香沉境域改属剑州（治今剑阁县普安镇，同年剑州改为剑阁县至今）隆礼团（治火烧寺，今剑阁县鹤龄镇）。民国十九年（1930年），今香沉境域改属剑阁县（治今剑阁县普安镇）隆礼下区（办事处）（治土主庙，今剑阁县公兴镇）。
1935年4月，中国工农红军设金仙县（治地金仙场，今剑阁县金仙镇）苏维埃政权，下设区、乡、村苏维埃，置“香沉乡”苏维埃，以香沉寺得名，属罐铺区（治地罐儿铺，今剑阁县涂山乡罐铺村）。此为“香沉乡”建制之始，至此“香沉”开始作为行政区划专名并沿用至今。
民国二十四年（1935年），国民党政府统一川政后，剑阁县政府置香沉联保，属四川省第十四行政督察区剑阁县（行政督察专员公署、县政府同驻剑阁县第一区城厢，今剑阁县普安镇）第四区（治土主庙，今剑阁县公兴镇）。民国二十五年（1936年），香沉联保改属第三区署（治今剑阁县白龙镇），不久与罐铺联保、土主庙联保合并更名为罐铺联保（治地罐儿铺，今剑阁县涂山乡罐铺村）。 民国二十九年（1940年）八月，罐铺联保改置为香沉乡（治地罐儿铺，今剑阁县涂山乡罐铺村） ，香沉联保办事处改为香沉乡公所，属第三区署（治今剑阁县白龙镇）。民国三十年（1941年）二月，第三区署改为第三指导区，香沉乡仍属之。民国三十一年（1942年），香沉乡治地罐儿铺（今剑阁县涂山乡罐铺村），不久迁至香沉寺。民国三十五年（1946年）十月，香沉乡改属第二区（治今剑阁县元山镇）。民国三十六年（1947年），香沉乡属第三指导区（治今剑阁县白龙镇）。
新中国时期
中华人民共和国成立后1950年复置香沉乡，废除香沉乡公所，设立香沉乡人民政府，属剑阁专区行政专员公署（驻广元县，今广元市利州区嘉陵街道）剑阁县（驻城关镇，今剑阁县普安镇）第五区（1952年改为第六区，治金仙场，今剑阁县金仙镇）。
1953年3月4日，广元专区行政专员公署（剑阁专区更名）撤销，剑阁县划归绵阳专区行政专员公署管辖。
1955年12月，香沉乡人民政府改为香沉乡人民委员会。同月，第六区更名为金仙区（治今剑阁县金仙镇），香沉乡属之。1958年9月，香沉乡改置为香沉人民公社，实行“政社合一”制度，乡人民委员会改称人民公社人民委员会，属金仙区（区公所同年迁于公兴场，今剑阁县公兴镇）。1961年12月析置水磨人民公社（今锦屏乡），水磨坝及附近区域不再由香沉人民公社管辖。1966年11月17日，经四川省人民委员会、绵阳专区行政公署批准，全县52个公社改为具有“革命意义”的新名称，香沉人民公社改为先锋人民公社，属金仙区（治今剑阁县公兴镇）；1967年复名香沉人民公社。1968年5月11日，剑阁县革命委员会成立后，区、公社、生产大队均成立革命委员会，生产队成立革命领导小组。1984年初，基层政权改制，实行政社分设，恢复建制为香沉乡，香沉人民公社革命委员会改称香沉乡人民政府，大队、队改为居民村、组。
1985年5月，撤销绵阳地区（绵阳专区更名），新设绵阳、广元、遂宁三个地级市，剑阁县由绵阳地区划归广元市，香沉乡属广元市剑阁县管辖。
1996年，撤消香沉乡，改设为香沉镇。2006年6月14日，剑阁县（2003年9月28日驻地迁址下寺镇）撤销11个“区”督导办公室建制，“公兴区”督导室被予以撤销，香沉镇改由剑阁县直接管辖。