จากหลักฐานทางประวัติศาสตร์และโบราณคดีพบว่า บริเวณพื้นที่ ที่เป็นจังหวัดอุดรธานีในปัจจุบัน เคยเป็นถิ่นที่อยู่ของมนุษย์มาตั้งแต่สมัยก่อนประวัติศาสตร์ประมาณ 5,000-7,000 ปี จากหลักฐานการค้นพบที่บ้านเชียงอำเภอหนองหานและภาพเขียนสีบนผนังถำที่อำเภอบ้านผือ เป็นสิ่งที่แสดงให้เห็นเป็นอย่างดีจนเป็นที่ยอมรับนับถือในวงการศึกษาประวัติศาสตร์ และโบราณคดีระหว่างประเทศว่าชุมชนที่เป็นถิ่นที่อยู่ของมนุษย์ก่อนประวัติศาสตร์ที่จังหวัดอุดรธานี มีอารยธรรมความเจริญในระดับสูง และอาจถ่ายทอดความเจริญนี้ไปสู่ประเทศจีนก็อาจเป็นได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเครื่องปั้นดินเผาสีลายเส้นที่บ้านเชียงนั้นสันนิฐานว่าอาจเป็นเครื่องปั้นดินเผาสีลายที่เก่าที่สุดของโลก
หลังจากยุคความเจริญที่บ้านเชียงแล้ว พื้นที่ที่เป็นจังหวัดอุดรธานี ก็ยังคงเป็นที่อยู่อาศัยของมนุษย์สืบต่อมาอีกจนกระทั่งสมัยประวัติศาสตร์ของประเทศไทย นังตั้งแต่สมัยทวาราวดี (พ.ศ.1200-1600) สมัยลพบุลี (พ.ศ.1200-1800) และสมัยสุโขทัย (พ.ศ.1800-2000) จากหลักฐานที่พบคือใบเสมาสมัยทวาราวดีลพบุรี และภาพเขียนปูนบนผนังโบสถ์ที่ปรักหักพังบริเวณเทือกเขาภูพานใกล้วัดพระพุทธบาทบัวบกอำเภอบ้านผือ แต่ทั้งนี้ยังไม่ปรากฎหลักฐานชื่อ จังหวัดอุดรธานีปรากฎในประวัติศาสตร์แต่อย่างใด
ต่อมาในสมัยกรุงศรีอยุธยาเป็นราชธานีพื้นที่ที่จังหวัดอุดรธานีปรากฎในประวัติศาสตร์ เมื่อราวปีจอ พ.ศ.2117 พระเจ้ากรุงหงสาวดีได้ทรงเกณฑ์ทัพไทยให้ไปช่วยตีกรุงศรีสัตนาคนหุต (เวียงจันทน์) โดยให้สมเด็จพระมหาธรรมราชากับสมเด็จพระนเรศวรมหาราชยกทัพไปช่วยรบ แต่เมื่อกองทัพไทยมาถึงเมืองหนองบัวลำภูซึ่งเป็นเมืองหน้าด่านของเมืองเวียงจันทน์สมเด็จพระนเรศวรมหาราชประชวรด้วยไข้ทรพิษจึงยกทัพกลับไม่ต้องรบพุ่งกับเวียงจันทน์และเมืองหนองบัวลำภูนี้เองสันนิษฐานว่าเคยเป็นเมืองที่มีความเจริญมาตั้งแต่สมัยขอมเรืองอำนาจ
ในสมัยกรุงรัตนโกสินเป็นราชธานีนั้น จังหวัดอุดรธานีได้เกี่ยวข้องกับการศึกสงครามกล่าวคือในระหว่าง พ.ศ.2369- 2371 ได้เกิดกบฎเจ้าอนุวงศ์ยกทัพเข้ามายึดเมืองนครราชสีมา ซึ่งมีผู้นำคือคุณหญิงโม(ท้าวสุรนารี) กองทัพเจ้าอนุวงศ์ได้ถอยทัพมาตั้งรับที่เมืองหนองบัวลำภู และได้ต่อสู้กับกองทัพไทยและชาวเมืองหนองบัวลำภูจนทัพเจ้าอนุวงส์แตกพ่ายไป กระทั่งในปลายสมัยสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว รัชการที่4 ประมาณ พ.ศ.2411 ได้เกิดความวุ่นวายขึ้นในมณฑลลาวพวน เนื่องมาจากพวกฮ่อซึ่งกองทัพไทยได้ยกขึ้นไปปราบปรามจนสงบได้ชั่วคราว
ในปี พ.ศ. 2428 สมัยพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว พวกฮ่อได้รวมตัวก่อการร้าย กำเริบเสิบสานขึ้นอีกในมณฑลลาวพวนฝั่วซ้ายแมน้ำโขงและมีท่าทีจะรุนแรง พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวโปรดให้ พระเจ้าบรมวงศ์เธอกรมหมื่นประจักษ์ศิลปาคม เป็นแม่ทัพใหญ่ฝ่ายใต้ และเจ้าหมื่นไวยวรนาถเป็นแม่ทัพใหญ่ฝ่ายเหนือไปทำการปราบปรามพวกฮ่อ ในเวลานั้นเมืองอุดรธานียังไม่ปรากฎชื่อเพียงแต่ปรากฎชื่อบ้านหมากแข้งหรือบ้านเดื่อหมากแข้ง สังกัดเมืองหนองคายขึ้นการปกครองกับมณทลลาวพวน และกรมหมื่นประจักษ์ศิลปาคมแม่ทัพใหญ่ฝ่ายใต้เดินทัพผ่านบ้านหมากแข้ง ไปทำการปราบปรามพวกฮ่อจนสงบ
ภายหลังการปราบปรามฮ่อสงบแล้วไทยมีกรณีพิพาทกับฝรั่งเศส เนื่องจากฝรั่งเศสต้องการลาว เขมร ญวณ เป็นอาณานิคม เรียกว่า "กรณีพิพาท ร.ศ. 112 (พ.ศ. 2436)" ด้วยพระปรีชาญาณของพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว ที่ทรงยอมเสียสละส่วนน้อยเพื่อรักษาประเทศไว้ จึงทรงสละดินแดนฝั่งซ้ายแม่น้ำโขงให้แก่ฝรั่งเศส และตามสนธิสัญญาที่ทำขึ้นระหว่าง 2 ประเทศ มีเงื่อนไขห้ามประเทศสยามตั้งกองทหารและป้อมปราการอยู่ในรัศมี 25 กิโลเมตร ของฝั่งแม่น้ำโขง
ดังนั้น หน่วยทหารไทยที่ตั้งประอยู่ที่เมืองหนองคาย อันเป็นเมืองศูนย์กลางของหัวเมือง หรือมณฑลลาวพวน ซึ่งมีกรมหมื่นประจักษ์สิลปาคมเป็นข้าหลวงใหญ่สำเร็จราชการ จำต้องอพยพเคลื่อนย้ายลึกเข้ามาจนถึงหมู่บ้านแห่งหนึ่งชื่อบ้านเดื่อหมากแข้ง (ซึ่งเป็นที่ตั้งจังหวัดอะดรธานีปัจจุบัน) ห่างจากฝั่งแม่น้ำโขงกว่า 50 กิโลเมตร เมื่อทรงพิจารณาเห็นว่าหมู่บ้านแห่งนี้มีชัยภูมิเหมาะสม เพราะมีแหล่งน้ำดี เช่น หนองนาเกลือ (หนองประจัก์ ปัจจุบัน) และหนองน้ำพกหลายแห่ง ราวทั้งห้วยหมากแข้ง ซึ่งเป็นลำห้วยน้ำใสไหลเย็น กรมหมื่นประจักษ์ศิลปาคม ทรงบัญชาให้ตั้งศูนย์มณฑลลาวพวน และตั้งกองทหารขึ้น ณ หมู่บ้านเดื่อหมากแข้ง จึงพอเห็นได้ว่าเมืองอุดรธานีได้อุบัติขึ้นโดยบังเอิญ เพราะเหตุผลทางการเมืองระหว่างประเทศยิ่งกว่าเหตุทางการค้า การคมนาคมหรือเหตุผลอื่น ดังเช่นหัวเมืองสำคัญต่างๆ ในอดีต
อย่างไรก็ตามว่า "อุดร" มาปรากฎชื่อเมือง พ.ศ.2450 (พิธีตั้งเมืองอุดรธานี 1 เมษายน ร.ศ. 127 พ.ศ. 2450 โดยพระยาศรีสุริยราช วรานุวัตร "โพธิ์ เนติโพธิ์") พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว ได้มีกระแสพระบรมราชโองการให้จัดตั้งเมืองอุดรธานีขึ้นที่บ้านหมากแข้งอยู่ในการปกครองของมณฑลอุดร
หลังการเปลื่ยนแปลงการปกครองจากระบอบสมบูรณาญาสิทธิราชมาเป็นระบอบประชาธิปไตย เมื่อวันที่ 21 มิถุนายน พ.ศ. 2475 แล้วได้มีการปรับปรุงระเบียบการบริหารราชการแผ่นดิน ยกเลิกการปกครองในระบบมณฑลในส่วนภูมิภาคยังคงเหลือเฉพาะจังหวัดและอำเภอเท่านั้นมณฑลอุดรจึงถูกยุบเลิกไปเหลือเพียงจังหวัด "อุดรธานี" เท่านั้น
หลังจากยุคความเจริญที่บ้านเชียงแล้ว พื้นที่ที่เป็นจังหวัดอุดรธานี ก็ยังคงเป็นที่อยู่อาศัยของมนุษย์สืบต่อมาอีกจนกระทั่งสมัยประวัติศาสตร์ของประเทศไทย นังตั้งแต่สมัยทวาราวดี (พ.ศ.1200-1600) สมัยลพบุลี (พ.ศ.1200-1800) และสมัยสุโขทัย (พ.ศ.1800-2000) จากหลักฐานที่พบคือใบเสมาสมัยทวาราวดีลพบุรี และภาพเขียนปูนบนผนังโบสถ์ที่ปรักหักพังบริเวณเทือกเขาภูพานใกล้วัดพระพุทธบาทบัวบกอำเภอบ้านผือ แต่ทั้งนี้ยังไม่ปรากฎหลักฐานชื่อ จังหวัดอุดรธานีปรากฎในประวัติศาสตร์แต่อย่างใดต่อมาในสมัยกรุงศรีอยุธยาเป็นราชธานีพื้นที่ที่จังหวัดอุดรธานีปรากฎในประวัติศาสตร์ เมื่อราวปีจอ พ.ศ.2117 พระเจ้ากรุงหงสาวดีได้ทรงเกณฑ์ทัพไทยให้ไปช่วยตีกรุงศรีสัตนาคนหุต (เวียงจันทน์) โดยให้สมเด็จพระมหาธรรมราชากับสมเด็จพระนเรศวรมหาราชยกทัพไปช่วยรบ แต่เมื่อกองทัพไทยมาถึงเมืองหนองบัวลำภูซึ่งเป็นเมืองหน้าด่านของเมืองเวียงจันทน์สมเด็จพระนเรศวรมหาราชประชวรด้วยไข้ทรพิษจึงยกทัพกลับไม่ต้องรบพุ่งกับเวียงจันทน์และเมืองหนองบัวลำภูนี้เองสันนิษฐานว่าเคยเป็นเมืองที่มีความเจริญมาตั้งแต่สมัยขอมเรืองอำนาจ
ในสมัยกรุงรัตนโกสินเป็นราชธานีนั้น จังหวัดอุดรธานีได้เกี่ยวข้องกับการศึกสงครามกล่าวคือในระหว่าง พ.ศ.2369- 2371 ได้เกิดกบฎเจ้าอนุวงศ์ยกทัพเข้ามายึดเมืองนครราชสีมา ซึ่งมีผู้นำคือคุณหญิงโม(ท้าวสุรนารี) กองทัพเจ้าอนุวงศ์ได้ถอยทัพมาตั้งรับที่เมืองหนองบัวลำภู และได้ต่อสู้กับกองทัพไทยและชาวเมืองหนองบัวลำภูจนทัพเจ้าอนุวงส์แตกพ่ายไป กระทั่งในปลายสมัยสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว รัชการที่4 ประมาณ พ.ศ.2411 ได้เกิดความวุ่นวายขึ้นในมณฑลลาวพวน เนื่องมาจากพวกฮ่อซึ่งกองทัพไทยได้ยกขึ้นไปปราบปรามจนสงบได้ชั่วคราวในปี พ.ศ. 2428 สมัยพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว พวกฮ่อได้รวมตัวก่อการร้าย กำเริบเสิบสานขึ้นอีกในมณฑลลาวพวนฝั่วซ้ายแมน้ำโขงและมีท่าทีจะรุนแรง พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวโปรดให้ พระเจ้าบรมวงศ์เธอกรมหมื่นประจักษ์ศิลปาคม เป็นแม่ทัพใหญ่ฝ่ายใต้ และเจ้าหมื่นไวยวรนาถเป็นแม่ทัพใหญ่ฝ่ายเหนือไปทำการปราบปรามพวกฮ่อ ในเวลานั้นเมืองอุดรธานียังไม่ปรากฎชื่อเพียงแต่ปรากฎชื่อบ้านหมากแข้งหรือบ้านเดื่อหมากแข้ง สังกัดเมืองหนองคายขึ้นการปกครองกับมณทลลาวพวน และกรมหมื่นประจักษ์ศิลปาคมแม่ทัพใหญ่ฝ่ายใต้เดินทัพผ่านบ้านหมากแข้ง ไปทำการปราบปรามพวกฮ่อจนสงบ
ภายหลังการปราบปรามฮ่อสงบแล้วไทยมีกรณีพิพาทกับฝรั่งเศส เนื่องจากฝรั่งเศสต้องการลาว เขมร ญวณ เป็นอาณานิคม เรียกว่า "กรณีพิพาท ร.ศ. 112 (พ.ศ. 2436)" ด้วยพระปรีชาญาณของพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว ที่ทรงยอมเสียสละส่วนน้อยเพื่อรักษาประเทศไว้ จึงทรงสละดินแดนฝั่งซ้ายแม่น้ำโขงให้แก่ฝรั่งเศส และตามสนธิสัญญาที่ทำขึ้นระหว่าง 2 ประเทศ มีเงื่อนไขห้ามประเทศสยามตั้งกองทหารและป้อมปราการอยู่ในรัศมี 25 กิโลเมตร ของฝั่งแม่น้ำโขง 
ดังนั้น หน่วยทหารไทยที่ตั้งประอยู่ที่เมืองหนองคาย อันเป็นเมืองศูนย์กลางของหัวเมือง หรือมณฑลลาวพวน ซึ่งมีกรมหมื่นประจักษ์สิลปาคมเป็นข้าหลวงใหญ่สำเร็จราชการ จำต้องอพยพเคลื่อนย้ายลึกเข้ามาจนถึงหมู่บ้านแห่งหนึ่งชื่อบ้านเดื่อหมากแข้ง (ซึ่งเป็นที่ตั้งจังหวัดอะดรธานีปัจจุบัน) ห่างจากฝั่งแม่น้ำโขงกว่า 50 กิโลเมตร เมื่อทรงพิจารณาเห็นว่าหมู่บ้านแห่งนี้มีชัยภูมิเหมาะสม เพราะมีแหล่งน้ำดี เช่น หนองนาเกลือ (หนองประจัก์ ปัจจุบัน) และหนองน้ำพกหลายแห่ง ราวทั้งห้วยหมากแข้ง ซึ่งเป็นลำห้วยน้ำใสไหลเย็น กรมหมื่นประจักษ์ศิลปาคม ทรงบัญชาให้ตั้งศูนย์มณฑลลาวพวน และตั้งกองทหารขึ้น ณ หมู่บ้านเดื่อหมากแข้ง จึงพอเห็นได้ว่าเมืองอุดรธานีได้อุบัติขึ้นโดยบังเอิญ เพราะเหตุผลทางการเมืองระหว่างประเทศยิ่งกว่าเหตุทางการค้า การคมนาคมหรือเหตุผลอื่น ดังเช่นหัวเมืองสำคัญต่างๆ ในอดีต
อย่างไรก็ตามว่า "อุดร" มาปรากฎชื่อเมือง พ.ศ.2450 (พิธีตั้งเมืองอุดรธานี 1 เมษายน ร.ศ. 127 พ.ศ. 2450 โดยพระยาศรีสุริยราช วรานุวัตร "โพธิ์ เนติโพธิ์") พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว ได้มีกระแสพระบรมราชโองการให้จัดตั้งเมืองอุดรธานีขึ้นที่บ้านหมากแข้งอยู่ในการปกครองของมณฑลอุดรหลังการเปลื่ยนแปลงการปกครองจากระบอบสมบูรณาญาสิทธิราชมาเป็นระบอบประชาธิปไตย เมื่อวันที่ 21 มิถุนายน พ.ศ. 2475 แล้วได้มีการปรับปรุงระเบียบการบริหารราชการแผ่นดิน ยกเลิกการปกครองในระบบมณฑลในส่วนภูมิภาคยังคงเหลือเฉพาะจังหวัดและอำเภอเท่านั้นมณฑลอุดรจึงถูกยุบเลิกไปเหลือเพียงจังหวัด "อุดรธานี" เท่านั้น
