M.Ö. 2000 yıllarına kadar dayanan bir tarihi olan İlçe, Urartu, İskitler, İskender, Bizans Sasanilerin egemenliğinde kalmıştır.
636 yılında Türk boylarınca ele geçirilmiş, 1071 Malazgirt zaferiyle Mengüceklerin egemenliğine girmiştir. 1228 yılında Selçuklu atabeylerince yönetilip, 1473 tarihinde Fatih ile Uzun Hasan arasındaki Otlukbeli Savaşına sahne olmuştur.
Otlukbeli, Cumhuriyet öncesi 1800'lü yıllarda bucak haline getirilmiş 1954 yılında Çayırlı ilçesine bağlanmıştır. 1991 yılında ise çıkarılan kanunla ilçe merkezi haline getirilmiştir.
İlçe kamp, kayak sporu, avcılığa elverişli olup, yaylaları gezilip görülmeye, soğuk kaynak suları ve maden suları kaynağından içilmeye değerdir.

OTLUKBELİ GÖLÜ
Otlukbeli Gölü, İlçe merkezinin 6 km. kuzeybatısında bulunmaktadır. Göl, traverten seddi (maden sularının oluşturduğu traverten seddi) gölü olup, oluşumu halen devam etmektedir.  Yüzölçümü 6500 m² olan gölün, derinliği 15-18 m. civarındadır.

Otlukbeli Gölünün asıl özelliği, çanağının ve oluşumunun göl türleri içerisinde günümüze kadar bilinenlerin içerisinde dünyada tek tip oluşudur.
Oluşumu yönünden dikkat çeken Otlukbeli Gölü için 1990 yılında yerinde bir araştırma inceleme yapan Ankara Üniversitesinden Prof. Dr. Erdoğan AKKAN ile Prof, Dr. Metin TUNCEL, Otlukbeli Gölü hakkında,
Ancak bu set şimdiye kadar Türkiye'de örneği görülmemiş, taradığımız dünya literatüründe de eşinin bulunduğuna dair bir yayına rastlamadığımız, bu nedenle hiçbir sınıflandırmada yeri bulunmayan çok özel bir türdendir. TRAVERTEN SEDDİ, daha da özel olarak, normal karst kaynaklarının değil, MADEN SULARININ OLUŞTURDUĞU TRAVERTEN SEDDİ'dir. Böylece, Otlukbeli Gölü ile göl türlerine bir yenisi daha eklenmiş bulunmaktadır.
Traverten Seddi Gölü ya da Maden Sularının Oluşturduğu Traverten Seddi Gölü oluşu açısından yurdumuzda ve herhalde yeryüzünde eşinin bulunmadığı gözönüne alınarak,
Otlukbeli Gölünü Doğal Anıt olarak nitelemek istiyoruz. diye rapor tutmuşlardır.   
Otlukbeli Gölü Erzurum Kültür ve Tabiat Varlıklarını Koruma Kurulu kararı ile doğal sit alanı edilerek, koruma altına alınmıştır.

OTLUKBELİ SAVAŞI
Venedik Cumhuriyeti ve müttefikleri ile Akkoyunlular 1471 yılında Tebriz Anlaşmasını yaptılar. Bu anlaşmaya göre Osmanlı İmparatorluğuna karşı birlikte savaşacaklar ve İstanbul Anadolu Akkoyunlular'a bırakılırken, bütün Rumeli müttefiklerin olacaktı.

Fatih'ten kaçan Anadolu Beylerinin kışkırtmasıyla Karakoyunluları ve Timur'luları yenen Uzun Hasan, kendini Timur gibi görmeye başlamıştı.
Uzun Hasan'ın Tokat'ı yağmalamasından bir yıl sonra Fatih 11 Nisan 1473'te 190.000 kişilik ordusuyla İstanbul'dan harekete geçti. Ordu Tercan'a geldikten sonra Uzun Hasan'ı aramaya başladı.
Mahmut Paşa komutasındaki Osmanlı öncü birliklerinin pusuya düşürülmesinden sonra Osmanlı ordusu yedi gün boyunca Bayburt'a doğru ilerledi. Nihayet üçağızlı denilen yere gelindi. Burası dar ve geçilmesi zor bir mevki idi. Henüz ordunun tertipten mahrum olduğu bir sırada Otlukbeli sırtlarını tutan Uzun Hasan, Osmanlıları burada harbe mecbur bıraktı. Öğle vakti başlayan savaş sekiz saat sürdü. Fatih'in komuta ettiği Osmanlı ordusunun sağ kanadına Şehzade Beyazıt, sol kanadına Şehzade Mustafa komuta ederken, karşılarındaki orduya Uzun Hasan, oğulları Uğurlu Mehmet ve Zeynel Mirza komuta ediyordu. Uzun Hasan herşeyini bırakarak kaçtı, Fatih Otlukbeli civarında üç gün kaldı.

OTLUKBELİ SAVAŞININ ÖNEMİ
Otlukbeli Savaşı, Fatih'in kazandığı meydan muharebelerinin en büyüğü olup, ayrıca yeni  çağın ilk yarım asrında geçen dünyanın en büyük meydan muharebesiydi.
Bu savaştan sonra Toroslar'a ve Fırat'a kadar olan sahalarda Osmanlı hakimiyeti tartışmasız olarak kesinleşmiştir. Osmanlı Devletini ortadan kaldırmayı amaçlayan Akkoyunlu-Venedik ittifakı başarısız kalmış, Asya'dan tehdit edilmeyen Osmanlı, Avrupa karşısında daha da güçlü hale gelmiştir.