東漢，永初二年（108年），析廣漢郡北部地域設廣漢屬國，治地在今甘肅省文縣，剛氐道改隸廣漢屬國。獻帝建安二十年（215年），改廣漢屬國為陰平郡，剛氐道改隸陰平郡。獻帝建安二十四年（219年），劉備軍事集團為防備曹操軍事集團越摩天嶺南下，在剛氐道境內設置了軍事要塞江由戍，後習稱江油關，關址在今縣城東南50公裏處的南壩鎮老街。
三國，蜀漢後主建興七年（229年），蜀漢政權在剛氐道境內南部分置廣武縣，同時改剛氐道為剛氐縣，治地未變，兩縣皆隸陰平郡。魏元帝景元四年（蜀漢炎興元年，263年）十月，曹魏征西大將軍鄧艾兵出陰平邪徑，突襲江由戍，蜀漢守將馬邈不戰而降。魏軍由此長驅直入，攻陷成都，蜀漢滅亡，廣武、剛氐二縣歸於曹魏。魏元帝鹹熙二年（265年），司馬炎代魏，建立西晉，廣武、剛氐二縣歸於西晉。
西晉，武帝太康元年（280年），東吳滅亡，天下歸晉，乃更廣武縣名為平武縣，此為縣境內第壹次以“平武”為名建縣。“平武”之名，系取“陰平”之“平”與“廣武”之“武”組合而成，乃“天下從此太平，永遠休兵罷武”之意。晉懷帝永嘉三年（309年），巴氐李雄建大成國，史稱成漢，平武、剛氐二縣歸於成漢。
東晉，穆帝永和三年（347年），桓溫伐蜀，成漢滅亡，平武、剛氐二縣入於東晉版圖。是年，省剛氐縣入平武縣，仍治今平武縣南壩鎮，上隸陰平郡，郡治今江油市小溪壩鎮。
南北朝，南朝宋、齊兩代，平武縣建置未變，隸北陰平郡。其時，北陰平郡與所轄陰平縣同於治今江油市小溪壩鎮。
西魏，廢帝二年（553年），西魏趁南梁內亂，遣大將軍尉遲炯伐蜀，蜀地盡入西魏版圖。西魏占領蜀地後，復置龍州，並將其治地由陰平（今江油市小溪壩鎮）遷徙到江油關（今平武縣南壩鎮）。
隋朝，開皇三年（583年），撤銷江油、靜龍、馬盤、建陽四郡，江油、平武、陰平、馬盤、秦興五縣直隸於龍州。開皇十三年（598年），改秦興縣為方維縣。大業三年（607年），改龍州為平武郡，仍治今平武縣南壩鎮。時陰平縣改隸普安郡，平武郡領江油、平武、馬盤、方維四縣。
唐朝，武德元年（618年），改平武郡為龍門郡，其年又加壹西字，稱西龍門郡，仍領江油、平武、馬盤、方維四縣。武德四年（621年），撥出方維縣，郡領江油、平武、馬盤三縣。貞觀元年（627年），改西龍門郡為龍州，又稱龍門州，屬羈糜州，歸茂州管轄，至武則天垂拱年間（685～688年）始為正州。貞觀八年（634年），省平武縣入江油縣，州領江油、馬盤二縣。天寶元年（742年），改龍州為江油郡，改馬盤縣為清川縣，郡領江油、清川二縣。至德二年（757年），賜江油郡為靈應郡，並置龍州都督府。《李龍遷祠記》碑載，至德二年十月二十八日詔曰：“江油古邑，地帶靈山。自梁迄唐，屢蒙顯貺。眷茲龍境，禮合褒崇。可升龍州為都督府，賜號靈應郡。”“靈山”即南壩鎮之牛心山。乾元元年（758年），復改靈應郡為龍州，仍領江油、清川二縣。
五代，前蜀、後蜀政權承唐舊制，龍州及江油、清川二縣建置、治地均無變化。
北宋，仍置龍州，領江油、清川二縣。宋徽宗政和五年（1115年），改龍州為政州。南宋高宗紹興元年（1135年），復改政州為龍州，仍領江油、清川二縣。宋理宗寶慶三年（1226年），南宋朝廷設龍州三寨長官司，授予龍州判官王行儉世襲長官司之職，龍州土司正式產生。王行儉成為境內王姓土司始祖。宋理宗端平三年（1236年），州境內發生兵亂，清川縣廢。理宗寶祐六年（1258年），龍州與江油縣徙治於雍村（今江油市大康鎮）。此後直至明初的130年間，今平武縣境內無縣級以上政區建置，為龍州江油縣及龍州三寨長官司轄地。宋度宗鹹淳元年（1265年），南宋朝廷授予龍州知州薛嚴世襲土知州之職，龍州全境皆成為土司領地。薛嚴成為境內薛姓土司始祖。
元朝，世祖至元十三年（1276年），龍州土司歸附元朝，今平武縣境仍為龍州江油縣及龍州三寨長官司轄地。至元二十二年（1285年），省江油縣入龍州，今平武縣境為龍州及龍州三寨長官司管地轄地。元順帝至正元年（1341年），升龍州為龍州宣慰司。順帝至正十壹年（1351年），又升為龍州元帥府，並將龍州三寨長官司納入其中，今平武縣境為龍州轄地。至正二十壹年（1361年），復改龍州元帥府為龍州宣慰司。元順帝至正二十二年（1362年），明玉珍建立的大夏割據政權占據龍州，次年，仍置龍州宣慰司，並復置江油縣，州、縣同治興教鎮（今江油市武都鎮）。今平武縣境為龍州江油縣轄地。大夏開熙元年（元至正二十七年，1367年），改授龍州等處軍民宣撫司。
明朝，太祖洪武二年（1369年），今平武縣境為龍州江油縣與青川守禦千戶所轄地。明神宗萬歷十八年（1590年），新設寧武縣附郭，與龍安府同治今平武縣城龍安鎮。萬歷十九年（1591年），改寧武縣為平武縣。此為縣境內第三次以“平武”為名建縣。此後，縣名及治地至2009年底未變。
清朝，順治六年（1649年），清軍攻占龍安府，各土司亦相繼歸順清朝。清政府仍設龍安府，下轄平武、江油、石泉三縣，黃羊關土長官司、陽地隘土通判、龍溪堡土知事三土司和青川守禦千戶所。順治十年（1653年），省江油縣入平武縣。順治十六年（1659年），裁青川守禦千戶所並入平武縣。康熙元年（1662年），復設江油縣隸龍安府，仍治今江油市武都鎮。雍正七年（1729年），撥松潘衛隸龍安府。雍正九年（1731年），撥彰明縣隸龍安府，改松潘衛為松潘廳。同年，平武縣設縣丞署於青川（今青川縣青溪鎮），分管原青川守禦千戶所轄地。乾隆二十五年（1760年），松潘廳由散廳升為直隸廳，脫離龍安府管轄範圍。嘉慶七年（1802年），平武縣設主簿署於大印，管轄縣南平通河流域。