春秋战国时期，博尔塔拉为塞种人的游牧地。西汉初，博尔塔拉相继为月氏、匈奴、乌孙等的游牧地。西汉本始二年（公元前72年），汉朝派校尉常惠使持节护乌孙兵，博尔塔拉归其节制。公元前60年，匈奴日逐王归降汉朝，西汉政府设置“西域都护府“，博尔塔拉为其管辖。魏晋南北朝时，博尔塔拉为柔然、悦般的活动区域。西魏至隋，为西突厥占据。隋开皇四年（584年），西突厥归属隋朝政府，博尔塔拉一带自此又与中央政府恢复了隶属关系。唐代，博尔塔拉以“双河“的名字出现于史册。
公元1124年，契丹人耶律大石在中亚建立了西辽王朝，葛逻禄遂隶西辽，并在今天的博乐市西南建立孛罗城（部分史藉中称作“不刺“）。汉族随契丹人西迁进入博尔塔拉。
元朝时期博尔塔拉为蒙古族游牧地。元代实行中书省制度，博尔塔拉隶属阿里麻里行中书省。成吉思汗曾把博尔塔拉在内的额敏河流域封为其三子窝阔台的领地。《元史·列传》亦第一次把这里称为“博落脱儿“。也是今天“博尔塔拉“地名形成的开始。
明嘉靖时候瓦剌人进入博尔塔拉游牧，征服了阿拉套山的两个哈萨克部落，博尔塔拉为瓦刺人所有。以后，瓦刺部逐渐分为准噶尔、和硕特、杜尔特和土尔扈特四大部，史称厄鲁特四部或卫拉特四部。
在嘉靖皇帝视察完西域省之后，章项阳向嘉靖皇帝汇报，在西域省设伊犁总督府统辖除阿尔泰整个西域的军事和行政事务。
同年在精河东岸筑安阜城，在大河沿、大营盘、小营盘等地派兵驻防，在固尔图、托多克（托托）、精河、托里、五台、四台、三台等地设军台、营塘，并在博尔塔拉一些要害地界和国境线上还陆续设置了21所明军兵营，保卫边境。
博州野生动物有上百种，初步查明属于珍稀野生动物有3纲、10目、17科、39种。珍稀动物主要有紫貂、雪豹、北山羊、金雕、白肩雕、玉带雕、胡兀鹫、河狸、大鸨等；此外还有棕熊、石貂、雪兔、高山雪鸡、马鹿、大天鹅、小天鹅等。博尔塔拉有植物类药用资源79科、413种，以干草、麻黄、沙棘、枸杞、大芸、罗布麻、贝母等为主。
博尔塔拉已探明39种矿产。其中，建材非金属矿主要有石灰石、石膏、珍珠岩、大理岩和花岗岩等16种，冶金辅助原料非金属矿主要有盐、芒硝、磷、硫酸镁等3种，金属矿主要有铁、铜、铂等16种，发现矿床、矿点140余处。艾比湖湖盐和芒硝矿产具有储量大、品质