「山城国風土記逸文」や「日本後紀」によれば、京都盆地に流入してより南は、古くは「葛野川(かどのがわ)」と呼ばれていました。

当時から氾濫が多いことで有名でしたが、5世紀後半頃に流域の嵯峨や松尾などに入植した渡来系の秦氏によって治水が図られ開発が進んだといいます。
この点、秦氏が築いたという「葛野大堰(かどののおおい)」は「大堰川」の名前の由来にもなっていると推測されています。

また下嵯峨から松尾にかけての桂川東岸の「罧原堤(ふしはらづつみ)」もこの頃に築造されたと考えられており、流域には弥生時代の遺跡や古墳が多く残るほか、現在も「松尾大社」を筆頭に一帯には秦氏に関連する多くの寺社が残っています。

平安京造営の際には、桂川の流れは京北(右京区京北町)の木材を洛内に運搬する水路として活躍。
その後も丹波・山城間では木材運搬の「筏(いかだ)流し」が盛んに行われていたといいます。

また平安初期の承和年間(834-48頃)には、弘法大師空海の弟子で法輪寺を中興した僧・道昌(どうしょう)により大堰川に橋が架けられました。
当初は法輪寺の門前橋であったことから「法輪寺橋」と呼ばれていましたが、のちに「渡月橋」と呼ばれるようになります。

そしてこの渡月橋を中心とした「嵐山」は、古来より貴族の別荘が立ち並び、船遊びなども盛んに行われた遊興の地となり、その後も京都を代表する有名な観光名所として現在に至っています。

江戸初期の慶長年間(1596～1615)には、嵐山の豪商であり政商の角倉了以(すみのくらりょうい)が保津峡を改修して桂川を開削。

これにより現在の丹波町与木村から下流の淀や大坂までが水路で通じることとなったため、船運がさらに発達。途中の園部・保津・山本・嵐山・梅津・桂津などは湊町として栄えました。

現代に入りJR山陰本線や国道9号の開通によって輸送路としての価値は失われ、筏(いかだ)流しもみられなくなりましたが、それに代わって観光客のための「保津川下り」で賑わうように。
また亀岡～嵐山間では保津川下りのほか「トロッコ列車」も人気を集めています。

上流の南丹市日吉町上世木(かみせぎ)に「天若(あまわか)ダム」が設けられ、日吉町には近年「日吉ダム」も新設され、水資源の確保とともにより一層の治水対策が図られています。