一、明鄭時期
永暦15年（1661）鄭成功敗荷人管領臺灣後，劃北部為天興縣。
二、清治時期
桃園市境域，於清代統治之212年間，先後隸屬於諸羅縣（1684－1723）、淡水廳（1732－1875）及淡水、新竹兩縣（1876－1895）。
三、日治時期
日治時期，臺灣地方官制屢次變革。其間本市地域隸屬之行政機構即變更3次，即初期之臺北縣、中期之桃(仔)園廳、日治後期則隸屬新竹州。境內轄區改劃6次。廳之名稱更易1次（由桃仔園廳易名桃園廳）。自成獨立之地方行政單位，則為設廳時期。自1920年實行州制以後至臺灣光復，本市境內設有中壢、桃園、大溪3郡。
四、民國35年至39年
民國35年（1946）1月11日，新竹縣政府正式設置；當時桃園地區亦屬新竹縣之轄區。
新竹縣政府成立之初，將原州轄8郡役所（桃園、中壢、大溪、新竹、竹東、竹南、苗栗、大湖），改設為8區區署，名稱如舊。
民國35年8月29日，臺灣省行政長官公署訂頒臺灣省各縣政府區署組織規程，本市屬之中壢、桃園2區署為二等，大溪區署為三等。
自民國36年（1947）起，撤銷桃園區區署，所有該區各鄉鎮悉歸縣政府直轄，迄39年（1950）時10月，各縣市行政區域調整，實施地方自治。
五、40年代至60年代
桃園縣設治始於民國39年（1950）地方自治與臺灣各縣市行政區域之調整。
縣政府的組織體系係依據民國40年（1951）1月17日公布之「臺灣省各縣（市）政府組織通則」所規定加以建制。據該項通則，桃園縣置縣長1人，綜理縣政並指揮監督所屬機關及職員，並得受上級機關之委任監督省屬分支機構及職員。縣政府內置主任秘書1人，承縣長之命，襄理縣市政。其下置秘書2至5人，承縣長之命，協助主任秘書辦理縣政。
桃園縣設縣之初，縣府組織體系迭有更易，但幅度不大。民國56年、60年中壢和桃園分別改制為市。民國62年（1973）6月8日，政府再次修訂臺灣省各縣市政府組織規程準則。此次修正之重點，在精簡縣市政府內部一級單位。
六、70年代
民國70年6月30日頒布「臺灣省各縣市政府組織規程準則」，是戰後以來地方政府組織相關法規修訂幅度較大的一次。根據該項組織結構之原則，至民國71年（1982）底，調整後之縣府組織為秘書室、民政局、建設局、財政局、教育局、國宅局、農業局、地政科、社會科、兵役科、主計室、人事室、計畫室。
其它附屬單位則有警察局、稅捐稽徵處、衛生局3個主要機關，以及縣立國民中學40所、縣立國民小學141所、地政事務所4所、縣立體育場、忠烈祠、圖書館、結核病防治所各一。
此次調整，較之民國60年代，除依據改進辦法廢除行政室，改由秘書室擔負主要之核心幕僚工作、擴增其功能，並增設計畫室、國宅局；此外，農林科亦改制農業局。
七、70年代後期至80年代後期
民國81年、84年平鎮和八德改制為市。縣政府為因應實際業務需要，其組織型態與員額編制也逐年漸次調整。如民國77年（1988）勞工科之成立，民國79年（1990）環保局之成立，民國84年（1995）因桃園縣人口突破150萬而有部分縣府直轄單位之改制等。
八、80年代後期至90年代
至民國89年止，縣府直轄單位計有民政局、財政局、建設局、教育局、工務局、農業局、地政局、社會局、兵役局、勞工局、行政局、城鄉發展局、法制室、人事室、政風室、主計室、新聞室、計畫室、原住民行政局等19個直屬單位，及交通局、環保局、警察局、消防局、稅捐稽徵處、文化局、衛生局等附屬單位。至民國92年，增設工商發展局、水務局、觀光行銷局、研究發展室，撤除計畫室、新聞室、建設局、兵役局；原農業局改為農業發展局，原勞工局改制為勞動及人力資源局。民國92年後，各組織單位大致維持這樣的規模。
九、103年12月25日升格直轄市為桃園市政府。