จากหลักฐานทางประวัติศาสตร์และโบราณคดีพบว่า  บริเวณพื้นที่ที่เป็นจังหวัดอุดรธานีในปัจจุบันเคยเป็นถิ่นที่อยู่ของมนุษย์มาตั้งแต่สมัยก่อนประวัติศาสตร์  ประมาณ  5,000-7,000  ปี  จากหลักฐานการค้นพบที่บ้านเชียง  อำเภอหนองหาน และภาพเขียนสีบนผนังถ้ำ  ที่อำเภอบ้านผือ  เป็นสิ่งที่แสดงให้เห็นเป็นอย่างดี  จนเป็นที่ยอมรับนับถือในวงการศึกษาประวัติศาสตร์และโบราณคดีระหว่างประเทศว่าชุมชนที่เป็นถิ่นที่อยู่ของมนุษย์ก่อนประวัติศาสตร์ที่จังหวัดอุดรธานีมีอารยธรรมความเจริญในระดับสูง  และอาจถ่ายทอดความเจริญนี้ไปสู่ประเทศจีนก็อาจเป็นได้  โดยเฉพาะอย่างยิ่งเครื่องปั้นดินเผาสีลายเส้นที่บ้านเชียงนั้น  สันนิษฐานว่าอาจเป็นเครื่องปั้นดินเผาสีลายเส้นที่เก่าที่สุดของโลก
               หลังจากยุคความเจริญที่บ้านเชียงแล้ว  พื้นที่ที่เป็นจังหวัดอุดรธานีก็ยังคงเป็นที่อยู่อาศัยของมนุษย์สืบต่อมาอีก  จนกระทั่งสมัยประวัติศาสตร์ของประเทศไทยนับตั้งแต่สมัยทวาราวดี  (พ.ศ.  1200-1600)  สมัยลพบุรี  (พ.ศ.  1200-1800)  และสมัยสุโขทัย  (พ.ศ.  1800-2000)  จากหลักฐานที่พบ  คือ  ใบเสมาสมัยทวาราวดี  ลพบุรี  และภาพเขียนปูนบนผนังโบสถ์ที่ปรักหักพังบริเวณเทือกเขาภูพานใกล้วัดพระพุทธบาทบัวบก  อำเภอบ้านผือ  แต่ทั้งนี้ยังไม่ปรากฏหลักฐานชื่อจังหวัดอุดรธานีปรากฎในประวัติศาสตร์แต่อย่างใดต่อมาในสมัยกรุงศรีอยุธยาเป็นราชธานี  พื้นที่ที่จังหวัดอุดรธานีปรากฏในประวัติศาสตร์เมื่อราวปีจอ  พ.ศ.  2117  พระเจ้ากรุงหงสาวดีได้ทรงเกณฑ์ทัพไทยให้ไปช่วยตีกรุงศรีสัตนาคนหุต  (เวียงจันทน์)  โดยให้สมเด็จพระมหาธรรมราชา  กับสมเด็จพระนเรศวรมหาราช  ยกทัพไปช่วยรบ  แต่เมื่อกองทัพไทยมาถึงเมืองหนองบัวลำภู  ซึ่งเป็นเมืองหน้าด่านของเมืองเวียงจันทน์สมเด็จพระนเรศวรมหาราช  ประชวรด้วยไข้ทรพิษ  จึงยกทัพกลับไม่ต้องรบพุ่งกับเวียงจันทน์  และที่เมืองหนองบัวลำภูนี่เองสันนิษฐานว่าเคยเป็นเมืองที่มีความเจริญมาตั้งแต่สมัยขอมเรืองอำนาจในสมัยกรุงรัตนโกสินทร์เป็นราชธานีนั้น  จังหวัดอุดรธานีได้เกี่ยวข้องกับการศึกสงคราม  กล่าวคือ  ในระหว่าง  พ.ศ.  2369-2371  ได้เกิดกบฏเจ้าอนุวงศ์ยกทัพเข้ามายึดเมืองนครราชสีมาซึ่งมีผู้นำคือ  คุณหญิงโม  (ท้าวสุรนารี)  กองทัพเจ้าอนุวงศ์ได้ถอยทัพมาตั้งรับที่เมืองหนองบัวลำภู  และได้ต่อสู้กับกองทัพไทยและชาวเมืองหนองบัวลำภูจนทัพเจ้าอนุวงศ์แตกพ่ายไปกระทั่งในปลายสมัยสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว  รัชกาลที่  4  ประมาณ  พ.ศ.  2411  ได้เกิดความวุ่นวายขึ้นในมณฑลลาวพวน เนื่องมาจากพวกฮ่อ  ซึ่งกองทัพไทยได้ยกขึ้นไปปราบปรามจนสงบได้ชั่วคราว

               ในปี  พ.ศ.  2428  สมัยพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว พวกฮ่อได้รวมตัวก่อการร้ายกำเริบเสิบสานขึ้นอีกในมณฑลลาวพวนฝั่งซ้ายแม่น้ำโขง  และมีท่าทีจะรุนแรง พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว  โปรดให้พระเจ้าบรมวงศ์เธอกรมหมื่นประจักษ์ศิลปาคมเป็นแม่ทัพใหญ่ฝ่ายใต้และเจ้าหมื่นไวยวรนาถ  เป็นแม่ทัพใหญ่ฝ่ายเหนือไปทำการปราบปรามพวกฮ่อในเวลานั้นเมืองอุดรธานียังไม่ปรากฏชื่อ  เพียงแต่ปรากฎชื่อบ้านหมากแข้ง  หรือบ้านเดื่อหมากแข้ง  สังกัดเมืองหนองคายขึ้น  การปกครองกับมณฑลลาวพวนและกรมหมื่นประจักษ์ศิลปาคมแม่ทัพใหญ่ฝ่ายใต้ได้เดินทัพผ่านบ้านหมากแข้งไปทำการปราบปรามพวกฮ่อจนสงบ
               ภายหลังการปราบปรามฮ่อสงบแล้วไทยมีกรณีพิพาทกับฝรั่งเศสเนื่องจากฝรั่งเศสต้องการลาว  เขมร  ญวน  เป็นอาณานิคมเรียกว่ากรณีพิพาท  ร.ศ.  112  (พ.ศ.  2436)  ด้วยพระปรีชาญาณของพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว  ที่ทรงยอมเสียสละส่วนน้อยเพื่อรักษาประเทศไว้  จึงทรงสละดินแดนฝั่งซ้ายแม่น้ำโขงให้แก่ฝรั่งเศลและตามสนธิสัญญาที่ทำขึ้นระหว่าง  2  ประเทศ  มีเงื่อนไขห้ามประเทศสยามตั้งกองทหารและป้อมปรากการอยู่ในรัศมี  25  กิโลเมตร  ของฝั่งแม่น้ำโขง
               ดังนั้น  หน่วยทหารไทยที่ตั้งประจำอยู่ที่เมืองหนองคาย  อันเป็นเมืองศูนย์กลางของหัวเมือง  หรือมณฑลลาวพวน  ซึ่งมีกรมหมื่นประจักษ์ศิลปาคมเป็นข้าหลวงใหญ่สำเร็จราชการ  จำต้องอพยพเคลื่อนย้ายลึกเข้ามาจนถึงหมู่บ้านแห่งหนึ่งชื่อบ้านเดื่อหมากแข้ง  (ซึ่งเป็นที่ตั้งจังหวัดอุดรธานีปัจจุบัน)  ห่างจากฝั่งแม่น้ำโขงกว่า  50  กิโลเมตรเมื่อทรงพิจารณาเห็นว่าหมู่บ้านแห่งนี้มีชัยภูมิเหมาะสม  เพราะมีแหล่งน้ำดี  เช่น  หนองนาเกลือ  (หนองประจักษ์ปัจจุบัน)  และหนองน้ำอีกหลายแห่ง  รวมทั้งห้วยหมากแข้งซึ่งเป็นลำห้วยน้ำใสไหลเย็น  (ปัจจุบันไม่ใสแล้ว)  กรมหมื่นประจักษ์ศิลปาคม  ทรงบัญชาให้ตั้งศูนย์มณฑลลาวพวน  และตั้งกองทหารขึ้น ณ หมู่บ้านเดื่อหมากแข้ง  จึงพอเห็นได้ว่าเมืองอุดรธานีได้อุบัติขึ้นโดยบังเอิญ  เพราะเหตุผลทางการเมืองระหว่างประเทศยิ่งกว่าเหตุผลทางการค้า การคมนาคมหรือเหตุผลอื่น  ดังเช่นหัวเมืองสำคัญต่างๆ  ในอดีตอย่างไรก็ตามคำว่า  “อุดร”  มาปรากฏชื่อเมือง  พ.ศ.  2450  (พิธีตั้งเมืองอุดรธานี  1  เมษายน  ร.ศ.  127  พ.ศ.  2450  โดยพระยาศรีสุริยราชวรานุวัตร  “โพธิ์เนติโพธิ์”)พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว  ได้มีกระแสพระบรมราชโองการให้จัดตั้งเมืองอุดรธานีขึ้นที่บ้านหมากแข้ง  อยู่ในการปกครองของมณฑลอุดร
               หลังการเปลี่ยนแปลงการปกครองจากระบบสมบูรณาญาสิทธิราชมาเป็นระบอบประชาธิปไตย  เมื่อวันที่  21  มิถุนายน  พ.ศ.  2475  แล้วได้มีการปรับปรุงระเบียบการบริหารราชการแผ่นดิน  ยกเลิกการปกครองในระบบมณฑลในส่วนภูมิภาค  ยังคงเหลือเฉพาะจังหวัดและอำเภอเท่านั้น  มณฑลอุดรจึงถูกยุบเลิกไปเหลือเพียงจังหวัดอุดรธานีเท่านั้น