Vùng đất này từng là kinh đô Panduranga của Vương quốc Champa cổ.
Thị xã Phan Rang được thành lập theo đạo dụ của Khải Định ban hành ngày 4 tháng 8 năm 1917.
Trước năm 1976, Phan Rang là tỉnh lỵ tỉnh Ninh Thuận. Từ 1976 đến 1991, khi tỉnh Ninh Thuận hợp nhất với tỉnh Bình Thuận (kể cả tỉnh Bình Tuy của Việt Nam Cộng hòa) thành tỉnh Thuận Hải thì Phan Rang không còn là tỉnh lỵ tỉnh Ninh Thuận, mà thuộc tỉnh Thuận Hải.
Ngày 27 tháng 4 năm 1977 thị xã Phan Rang bị chia hai và hạ cấp xuống thành thị trấn Phan Rang, huyện lỵ huyện Ninh Hải, và thị trấn Tháp Chàm, huyện lỵ huyện An Sơn. Thị trấn Phan Rang là địa bàn 6 phường Mỹ Hương, Tấn Tài, Kim Định, Thạnh Sơn, Phủ Hà, Đạo Long của thị xã cũ, còn thị trấn Tháp Chàm là địa bàn 3 phường Đô Vinh, Bảo An và Phước Mỹ của thị xã cũ.
Thị xã Phan Rang được tái lập với tên mới là thị xã Phan Rang - Tháp Chàm, theo Quyết định số 45/HĐBT của Hội đồng Bộ trưởng ngày 1-9-1981, đồng thời với việc tái lập ba huyện là Ninh Sơn, Ninh Hải và Ninh Phước trên cơ sở 2 huyện An Sơn và Ninh Hải. Lúc đó thị xãPhan Rang - Tháp Chàm gồm 9 phường: Bảo An, Đô Vinh, Phước Mỹ, Phủ Hà, Thanh Sơn, Mỹ Hương, Kinh Dinh, Đạo Long, Tấn Tài, và 3 xã: Văn Hải, Khánh Hải và Thành Hải.
Khi tỉnh Ninh Thuận được tái lập (1992), thị xã Phan Rang hợp nhất cùng với Tháp Chàm thành thị xã Phan Rang - Tháp Chàm, đồng thời trở thành tỉnh lỵ tỉnh Ninh Thuận.
Đầu tháng 2 năm 2007, thị xã Phan Rang - Tháp Chàm trở thành thành phố theo Nghị định của Chính phủ.