Территория Хилокского района осваивалась людьми издавна. Возле ст. Гыршелун найдены орудия труда, сделанные синантропом – предком человека, жившим сотни тысяч лет назад. В районе насчитывается более 80 археологических памятников, относящихся к разным историческим эпохам. За многие тысячи лет на этой земле побывало множество самых разных племён и народов, а ко времени появления отрядов русских землепроходцев на территории района проживали тунгусы. После экспедиции Петра Бекетова по долине реки Хилок был проложен первый путь, ведший в Забайкалье с запада. Однако вскоре он оказался заброшенным и на земли района постепенно переселились хоринские буряты.
В конце XIX в. на территории будущего Хилокского района размещались угодья 11 общин полукочевых бурят, подчинявшихся Хоринскому ведомству Верхнеудинского округа.
Таким образом, в самом центре Забайкальской области оставался регион, не имевший ни одного постоянного поселения. Всё изменилось в 1895 году, с началом прокладки линии Забайкальской железной дороги. Тогда возникли почти все современные населённые пункты, находящиеся возле линии Транссиба и среди них выделился посёлок Хилок, со временем ставший волостным центром. Местное население занималось прямым и косвенным обслуживанием железной дороги.
Первым административным образованием на данной территории стала Хилокская волость, появлявшаяся в 1916-1918 и в 1920-1926 гг. Хилокский район создавали трижды и существовал он в 1926-1932 гг., 1935-1963 гг. и с 1973 года по сегодняшний день. В 1938-1959 гг. в состав района входил Семиозёрский сельский совет с Шумиловскими приисками и верховьями рек Чикой и Чикокон. Кроме того, к Хилокскому району до 1963 года относилось и озеро Арей.
На 1 января 2015 г. в районе насчитывается 29,7 тыс. жителей, 2 городских поселения (город Хилок и посёлок Могзон) и 22 села, объединённых в 10 поселений.
По-прежнему, районо-, градо- и посёлкообразующей отраслью остаётся железная дорога. Станции Хилок в ходе нынешних реформ уделено пристальное внимание. По своему значению она приблизилась к таким крупным ж.д. узлам, как Чита и Улан-Удэ и будет развиваться далее.
На рубеже 1920-1930-х гг. в Хилокском районе начались лесозаготовки, принявшие массовый характер в 1950-е годы. Тогда появился крупнейший в области леспромхоз Хилокский, базировавшийся в с. Линёво Озеро, а также ряд других крупных лесодобывающих и лесоперерабатывающих предприятий.
Сельскохозяйственным производством население района занималось успешно. Буряты из местных общин в конце XIX века имели сенокосные угодья и поголовье скота наибольшие среди всего населения Хоринского ведомства. В 1930-1940-х гг. на территории района существовало до двух с половиной десятков колхозов. Позднее хозяйства укрупнились и их число к началу 1960-х гг. снизилось до четырёх. К концу 1980-х гг. в районе насчитывалось 5 совхозов, 1 колхоз и сельскохозяйственный кооператив. Несмотря на скудость почвы, малые площади посевов и сенокосов, в течение длительного времени жители района потребляли значительный процент продовольствия, полученного местными хозяйствами.
Горнодобывающая промышленность поначалу развивалась слабо. До некоторых пор жители района использовали глину и песок, жгли известь. Лишь в 1960-е гг. началась разработка месторождений строительного камня, гальки, гравия. В 1980-х гг. стали вестись разработки месторождений цеолитов.
В настоящее время население Хилокского района занято обслуживанием Забайкальской ж.д., в небольших акционерных и частных лесодобывающих предприятиях, в сельскохозяйственных кооперативах. Многие занялись мелким предпринимательством или ведут индивидуальное хозяйство, а также перебиваются случайными заработками. Действуют два горнодобывающих предприятия – Жипхегенский щебёночный завод и АО "Буртуй", снабжающее бурым углем не только собственный, но и соседние районы.
Славу и гордость хилокчан составляют железнодорожники и работники лесной отрасли – машинисты-орденоносцы А.М. Кузнецов, Т.П. Брылёв, А.И. Масюк; водитель лесовоза, Герой Социалистического Труда Я.В. Ворсин и другие. В Хилке родились, выросли и получили путёвку в жизнь Герой Социалистического Труда А.И. Брыкин и Герой Российской Федерации Р.П. Таскаев.
Хилокская земля вскормила писателей Н.Т. Ященко, Б. Мунгонова, Ц.-Ж.А. Жимбиева, Н.А. Юрконенко, Э.К. Анашкина.
Здесь перед войной росли, учились и работали будущие Герои Советского Союза Ф.Н. Билевич, В.Г. Кочнев, Д.М. Перов, А.И. Сухин, Ф.М. Хлуднев. В годы войны Хилокский район отправил на защиту Родины более 6 тысяч своих посланцев, из числа которых назад не вернулось более 2300.
Представитель Хилокского района А.П. Соловьёв, единственный житель Читинской области, получивший титул чемпиона СССР по лёгкой атлетике. В 1940 году он победил в метании гранаты на дальность. Команды хилокских футболистов, лыжников, баскетболистовнеоднократно становились победителями различных соревнований регионального и зонального уровня.
В Хилокском районе насчитывается 59 памятников истории и культуры, имеется 1 муниципальный музей и 10 музеев школ и предприятий. В западной части района находится место исторической стыковки двух направлений Забайкальской железной дороги.