Oudste vermelding in 1062 als Thilesna. Dilsen is een typisch Maaslands dorp, waarvan de kern ontstond vlak bij de Maas. Na de zware doorbraak van de dijken in 1740 heeft de Maas haar bedding verlegd, en ligt deze oude kern nu circa 2 km ten westen van de rivier. Op de Ferrariskaart (1771-77) staat deze nieuwe loop aangegeven en ligt het dorp aan een Maasarm, die echter nog steeds in verbinding met de Maas staat en tot ver in de 18de eeuw bevaarbaar bleef, waardoor Dilsen een beperkte havenfunctie had. Deze Maasarm, de Oude Maas, bestaat nog gedeeltelijk, doch heeft geen verbinding meer met de rivier. De oostelijke helft van de gemeente ligt volledig in de laag gelegen, vochtige Maasvallei, het westelijke gedeelte klimt vrij stijl op naar het Kempisch plateau, met een hoogteverschil van 55 meter. Afstromend water heeft deze steilrand plaatselijk diep ingesneden. Dit was oorspronkelijk bosgebied; hier bevond zich het Ledebos of Drie-Bankenbos, dat zich uitstrekte vanaf de Maas tot de Bosbeek en een deel van Opoeteren besloeg. Het was gemene grond die door verschillende gemeenten werd gebruikt. Door overbeweiding met koeien en varkens en door onverantwoorde houtkap veranderde het bos geleidelijk aan in een uitgestrekte heide. Nog in 1820 besloeg de heide 781ha, bijna de helft van het gemeentelijk grondgebied. In 1818 worden de woeste gronden van het Drie-Bankenbos verdeeld onder de belanghebbende gemeenten: Stokkem, Dilsen, Rotem, Opoeteren, Niel, Lanklaar, Elen en Neeroeteren. In de jaren 1830-1880 werd de heide grotendeels met dennenaanplantingen bebost, zodat de gemeente in 1866 425 ha en in 1880 zelfs 779 ha bos telde. Ook nu nog is een groot gedeelte van de gemeente bebost, het zogenaamd Dilserbos.

Het grondgebied is sinds de prehistorie bewoond. In 1961 kwamen bij de grens met Lanklaar en bij de thans verdwenen hoeve Heulentak aan de voet van de Vossenberg, sporen van bewoning uit het Mesolithicum, het Neolithicum, de Bronstijd en de IJzertijd aan het licht. Dit is één van de hoogst gelegen plaatsen van de gemeente wat doet vermoeden dat het lagere gedeelte nog onbewoonbaar was omdat de Maas vlak bij de voet van het Kempisch plateau stroomde. De verlegging van de bedding naar het oosten begon circa 2500 jaar geleden. Keltische bewoningssporen op de Kommel en de Hagendoorn langs de Vrietselbeek.

De Romeinse heirbaan Tongeren-Nijmegen, een aftakking van de heirbaan Boulogne-Bavais-Tongeren-Keulen loopt door de gemeente. Zij werd waarschijnlijk in 69-70 aangelegd en volgt het tracé Haagdoorn-Stokkemerbaan-Hoogbaan, op de hoogten langs de oude Maasarmen, die zij in al haar kronkelingen volgt. In de buurt van de oude kerk, op de grens met Stokkem werden in 1969 belangrijke Romeinse resten ontdekt, onder meer een Viergodensteen, mogelijk overblijfselen van een 9de-eeuws castellum op de Maas.

Het domein Dilsen behoorde in de 10de eeuw toe aan de graven van Brussel. In 1062 schenkt graaf Lambert van Leuven en Brussel zijn bezittingen te Dilsen aan zijn kleindochter Adela, gehuwd met markgraaf Otto van Thuringen. Bij hun overlijden kwam het kapittel van Sint-Servaas van Maastricht in het bezit van deze goederen. Het domein, met een oppervlakte van circa 120 ha, dat ook de kerk bevatte, was gelegen tussen de Vrietselbeek ten zuiden, de Heirbaan ten westen, het Tymbroek ten noorden en de Maas ten oosten. Dit is grosso mode de afbakening van het oorspronkelijke dorp, Oud-Dilsen. Dit predium was bevolkt met een 30 à 40 grondhorigen.

Het gedeelte ten westen van de heirbaan behoorde tot de 13de eeuw toe aan het graafschap Gelder (Nederland). In 1253 werd het aan de graaf van Loon geschonken. In 1366 kwam dit gedeelte in het bezit van de prins-bisschop van Luik. Hier lag het vroeger uitgestrekte Ledebos, dat de graven van Loon vanaf 1244 deelden met het kapittel van Sint-Servaas. Reeds vroeg werd begonnen met het ontginnen van deze braakliggende gronden. Zo ontwikkelde zich in het bos een nieuwe nederzetting en begon de uitbreiding van het dorp van oost naar west. De nieuwe nederzetting "in het Holt van Lede", kreeg de naam Holthuizen, het huidige Houtissen. De hogere rechtspraak zou tot in de 15de eeuw behoord hebben aan het toen verdwenen hof van Valderen te Rotem. Daarna schijnt in Dilsen een schepenbank geïnstalleerd, die onder meer bevoegd was voor de gemeenten Niel-bij-As en Lanklaar en autonoom oordeelde in criminele zaken. Voor burgerlijke zaken was enkel beroep mogelijk bij de Edele Leenzaal van Kuringen. Ook het laathof van het Sint-Servaaskapittel had een ruime juridische bevoegdheid over een groot deel van de gemeente, waar zich nog een aantal andere laathoven en enkele belangrijke Loonse lenen bevonden: Houthuizen, Houtissen of Cruyshof de nieuwe nederzetting in het Ledebos, later bezit van de abdij van Tongerlo; gelegen te Houthuizen het laathof Bauhuyshoeve, een leen van de leenzaal van Kuringen, vanaf 1665 in het bezit van het klooster Sion te Maaseik; Ter Saelen; Heulentak op de noordgrens van de gemeente, waar zich tot in de jaren 1960 de grote hoeve Heulentak bevond, die moest wijken voor het daar aangelegde industrieterrein; Ter Motten een leen gelegen naast Houthuizen en waarschijnlijk ontstaan in dezelfde periode; hier bevond zich mogelijk een ouder kasteel of mot op de plaats van het huidige; de oudst gekende heer is Willem de Rommershoven, vermeld in 1375. Het leen was achtereenvolgens in handen van de families de Horpmael, de Papenhoven, de Waemes (circa 1500), de Coursel en sinds 1637 van de Luikse familie de Rosen, die in 1723 de heerlijke rechten van Dilsen in pand ontving van prins-bisschop Louis de Berghes. Door huwelijk kwam de heerlijkheid in 1784 in het bezit van de familie de Saeren. In Dilsen bevond zich ook een allodiaal goed, de Keizersberg, gelegen op de plaats van de nieuwe kerk.

Op 5 september 1590, bij een aanval op het kasteel van Stokkem, wordt de kerk, samen met een gedeelte van Oud-Dilsen, door de Spanjaarden in brand gestoken.

De Sint-Martinusparochie is één van de oudste van het Maasland, opklimmend tot de Karolingische periode. Het was een zeer grote parochie die ook Stokkem, Lanklaar, Niel-bij-As (afgescheiden in de 18de eeuw), Dorne en de Houw (beide in Opoeteren) omvatte. Sinds de 11de eeuw in handen van het Sint-Servaaskapittel, in 1253-1320 gedeeld met de graaf van Loon. Later werden de tienden ook verdeeld tussen het kapittel en de prins-bisschop.

Dilsen bleef tot in de 20ste eeuw een landbouwersgemeente; de landbouwgronden bevonden zich in de vruchtbare, maar wat betreft oppervlakte beperkte Maasvallei. De Maashandel zorgde tot in de 18de eeuw voor werkgelegenheid; toen de Oude Maas niet meer in verbinding stond met de Maas bleef de visserij, voornamelijk het palingvissen, een bron van inkomsten. In 1896 was een steengroeve (silex) de enige industriële vestiging in de gemeente. Op de Vrietselbeek bevond zich een watermolen (confer Ferrariskaart), voor het eerst vermeld in 1666; hij verving een oudere watermolen op de Kogbeek, vermeld in 1062, en waarschijnlijk verdwenen in 1430; toen de bron van de Vrietselbeek in het verzakkinggebied van de mijn van Eisden kwam te liggen was er niet voldoende debiet meer, de molen werd in 1948 stilgelegd en in 1981 afgebroken. Vanaf 1871 bevond zich in de gemeente ook een windmolen. In de tweede helft van deze eeuw evolueerde Dilsen tot een woongemeente van forenzen, die vroeger voornamelijk werkten in de nabijgelegen steenkoolmijn van Eisden en in het Nederlandse grensgebied. Gedeeltelijk op het grondgebied Dilsen, gedeeltelijk op dat van Rotem bevond zich de grote zinkfabriek van de Société Anonyme de Rothem, opgericht in 1912. Zij werd gesloten in 1966. De vestiging van bedrijven op het industrieterrein van Lanklaar vanaf 1968 creëerde meer werk in eigen streek. Door de aanwezigheid van de talrijke bossen is er ook een beperkte werkgelegenheid in de toeristisch-recreatieve sector. Er is een grote demografische expansie, waardoor de gemeente een jonge bevolking heeft.

Dilsen ontstond tussen de Oude Maas en de Romeinse heirbaan Tongeren-Nijmegen. Hier, in Oud Dilsen of Onder-Dilsen, concentreert zich de oudste bebouwing. Deze bebouwing heeft de vorm van een vrij geconcentreerd hoopdorp; hier bevinden zich ook de resten van de oorspronkelijke kerk. Deze kern is door de Oude Kerkstraat met de Rijksweg N17 verbonden. Laatstgenoemde werd aangelegd in 1812-13. Hij verving de oude verbinding Maastricht-Maaseik die nog staat aangeduid op de Ferrariskaart (Grand Chemin de Mastricht à Maseyck, thans Stokkemerbaan) en die het tracé van de Romeinse heirbaan volgde. De Rijksweg bleef gedurende de eerste helft van de 19de eeuw vrijwel onbebouwd (Atlas van de Buurtwegen, 1846) en kreeg pas vanaf eind 19de eeuw en in de loop van de 20ste eeuw een vrij dichte lintbebouwing. De ontwikkeling van het westelijke gedeelte van de gemeente begon reeds in de 18de eeuw met de eerste ontginningen van het Ledebos. Op de Ferrariskaart is dit westelijk gelegen gehucht Houthuizen reeds uitgegroeid tot een tweede kern met straatdorppatroon (Europalaan). Dit gedeelte groeide in de loop van de tweede helft van de 19de en de 20ste eeuw uit tot het werkelijke centrum van de gemeente, waar ook de nieuwe kerk werd gebouwd. De bebouwing nam in de laatste decennia sterk toe, zodat alle wegen ten oosten van het Kempisch plateau gekenmerkt worden door lintbebouwing; vlak bij het nieuwe centrum werden een aantal nieuwe wijken aangelegd.

Aan de voet van de steilrand van het Kempisch Plateau werd tussen 1823-25 de Zuid-Willemsvaart aangelegd, evenwijdig met de Rijksweg en de Maas. Aan het kanaal bevinden zich twee betonnen bunkers (wanneer?). De spoorlijn Maaseik-Hasselt, aangelegd in 1874 en opgeheven in 1959, doorkruiste het uiterste noordwestelijke gedeelte van het grondgebied, met een station aan de Driepaal, gebouwd in 1880.