沭阳西周时，境域属青州。春秋时属鲁国，鲁成公九年，在今县西北建中城邑。战国时属楚国。秦统一中国后，初属薛郡，后改属郯郡。
西汉景帝封卫绾于建陵，在境内首立侯国，建陵今属新沂市。西汉武帝时，始设厚丘县，隶属东海郡。县治厚镇，前有丘陵盆地，后有厚镇河，故名厚丘县。汉成帝封楚孝王四子为阴平侯，阴平始为侯国。东汉除侯国，置阴平、建陵二县。
三国时魏黄初年间，立东海国，领厚丘、阴平、建陵等11县。西晋武帝裁阴平县，封鲁芝于阴平。阴平由县变为采邑。
南朝宋文帝元嘉四年（427年）省厚丘，并入襄贲，另置僮县，隶属南下邳郡。刘宋势力在南方，故僮县为侨县。宋孝武帝大明四年（460年），南下邳郡并入南彭城郡，僮县遂属南彭城郡。境内古有潼水故以僮名县。南齐复置厚丘县，寻废，置僮县。梁武帝天监五年（506年），废僮县，置僮阳郡。普通五年（524年），裴邃攻克北魏建陵城，省建陵县。东魏孝静帝武定七年（549年），改僮阳郡为沭阳郡，兼置下城、临渣、服武、怀文等4县，隶属沭阳郡，复置建陵县。东魏还置临沭郡并县，寻废。陈宣帝太建五年（573年），命吴明徵、裴忌领兵10万进攻江北，击溃北齐，占领沭阳郡，下城、临渣、服武三县并入怀文县。北周建德七年（578年），改怀文县为沭阳县，县名沿用至今。因治所位于沭河北岸，故名。北周废建陵县。隋文帝开皇年间废沭阳郡，县治迁入郡治，隶属海州。隋炀帝大业十三年（617年），土人反，改沭阳为沭州。
唐高祖武德年初，复置厚丘县，八年（625年）省，入沭阳县。唐高宗总章元年（668年），沭阳改属泗州。咸亨五年（674年），还属海州。五代、宋、元依唐制。
