Русские памятники XI—IX тысячелетий до нашей эры, найденные у станции Сероглазово Астраханской области дали название сероглазовской культуре (Кугат IV, Кулагайси, Каир-Шак 1, Каир-Шак III,Тентек-Сор, Же-Калган). Неолитические стоянки обнаружены в междуречье Волги и Урала, в Рынь-песках, в районе Досанга, Сероглазова, Караузека. К эпохе энеолита в Астраханской области относятся стоянки прикаспийской культуры — Кок-Мурун, Шошак III,Тау-Тюбе Западная, Караузек, Кошалак. В среднем бронзовом веке (4300—3800 лет назад) катастрофическая аридизация климата привела к опустыниванию и палеоэкологическому кризису в степях Нижнего Поволжья. Во втором тысячелетии до н. э. произошло увлажнение климата. Этот палеоэкологический кризис оказал значительное влияние на экономику племён в позднем катакомбном и посткатакомбном времени, проявившуюся в их более высокой мобильности и в переходе к кочевому скотоводству. Посткатакомбная криволуцкая культурная группа финала средней бронзы Нижнего Поволжья получила название по могильникам в районе Кривой Луки Черноярского района.
В VIII—X веках территории входили в состав Хазарского каганата. Существуют предположения, что на территории современной Астраханской области была расположена столица Хазарского каганата Итиль, разрушенная князем Святославом в 965 году. Позже здесь расселились половцы, которых в первой половине XIII века сменили монголо-татары, позже здесь проживали татары Астраханского ханства и казахи. Самосдельское городище известно как предположительное место расположения последней столицы Хазарского каганата.
Примерно в 130 км севернее современного города Астрахани в районе села Селитренного Харабалинского района находилась столица Золотой Орды Сарай-Бату. В 1261 году Сарай-Бату стал центром новообразованной Сарайской епархии Русской церкви. При хане Узбеке (правил в 1313—1341) столица Золотой Орды перенесена в Новый Сарай на реке Ахтубе вблизи нынешнего села Царёв Ленинского района Волгоградской области.
В 1558 году Астраханское ханство было присоединено к Русскому государству. Астраханский край является юго-восточным военным форпостом Русского государства. В частности, в 1569 года турки безуспешно осаждали Астраханскую крепость. В 1597 году в Астрахани было завершено начатое в 1578 году строительство Спасо-Преображенского мужского монастыря. По свидетельству Антони Дженкинсона во второй половине XVI века в Астрахани строили остроносые круглодонные транспортные суда (бусы) грузоподъёмностью более 200 тонн.
В XVII веке в Астраханском крае шло развитие торговли, рыбного и соляного промыслов.
В середине XVII века на территории Астраханского края проходило восстание Степана Разина.
В 1705—1706 годах местные жители взбунтовались против политики Петра I (Астраханское восстание).
В 1722 году около устья протоки Кутум была построена верфь, получившая название Астраханского адмиралтейства. В 1730—1740 годах в Астраханской губернии начинается обработка шёлка и хлопка.
Указом от 15 ноября 1802 года Астраханская губерния была разделена на Астраханскую и Кавказскую. Тем не менее, отделение Астраханской губернии от Кавказа завершилось лишь 6 января 1832 года, когда был подписан соответствующий указ.
В 1917 году Киргизская степь была выделена в отдельную Букеевскую губернию.
10 марта 1919 года рабочие астраханских заводов «Вулкан», «Этна»,«Кавказ и Меркурий» прекратили работы и начали мирный митинг, обсуждая своё тяжёлое материальное положение. Десятитысячный митинг был оцеплен пулеметчиками, матросами и гранатчиками. После отказа рабочих разойтись по ним открыли огонь. Командовал расстрелом член Реввоенсовета К. А. Мехоношин.
В 1919 году Царёвский и Черноярский уезды отошли к Царицынской губернии. Через год Калмыцкая степь стала частью Калмыцкой АО. В итоге, в Астраханской губернии осталось 3 уезда: Астраханский, Енотаевский и Красноярский. В 1925 году уезды были упразднены, а вместо них образованы районы: Баскунчакский, Бирючекосинский, Болхунский, Енотаевский, Зацаревский, Икрянинский, Камызякский, Красноярский, Могойский, Никольский, Разночинский, Трусовский, Харабалинский.
В советское время территория современной Астраханской области включалась в Нижне-Волжскую область (1928 год), Нижне-Волжский край (1928—1934), Сталинградский край (1934—1936) и Сталинградскую область вплоть до 27 декабря 1943 года, когда Указом Президиума Верховного Совета СССР была создана Астраханская область (в её состав вошли часть районов упразднённой Калмыцкой АССР и Астраханский округ Сталинградской области).
В 1976 году было открыто Астраханское газоконденсатное месторождение. С 1985 года работает Астраханский газоперерабатывающий завод.