Πληροφορίες για την ιστορία του ιερού και του μαντείου της Δωδώνης αντλούμε από τους αρχαίους ποιητές και συγγραφείς ( Όμηρος, Ησίοδος, Ηρόδοτος, Αριστοτέλης), καθώς και από αρχαίους ή νεότερους ταξιδευτές που πέρασαν από εκεί και έγραψαν τις εντυπώσεις τους. Οι πολύτιμες αυτές περιγραφές επιβεβαιώνονται και συμπληρώνονται από τα ευρήματα που έχουν φέρει στο φως οι αρχαιολόγοι, με τις ανασκαφές που έχουν κάνει στο χώρο της Δωδώνης.
Δεν γνωρίζουμε με βεβαιότητα πότε τοποθετείται η έναρξη της λατρείας στη Δωδώνη, πιθανότατα  όμως ανάγεται στα μέσα της 3ης χιλιετίας ή στις αρχές της δεύτερης, σύμφωνα με τα πρωιμότερα ευρήματα από την περιοχή του ιερού. Την εποχή αυτή, που δεν είχε ακόμη επικρατήσει στους Έλληνες η λατρεία του Δωδεκάθεου, λατρευόταν στη Δωδώνη η μεγάλη θεά της γονιμότητας, η θεά Γη. Ανάλογη εξέλιξη της λατρείας υπάρχει και σε άλλα μεγάλα πανελλήνια ιερά και μαντεία, όπως η Ολυμπία και οι Δελφοί, όπου ο Δίας και ο Απόλλωνας αντίστοιχα διαδέχθηκαν τη λατρεία της θεάς Γης.

Από τις αρχές της δεύτερης χιλιετίας ( γύρω στο 1900 π.Χ.) φθάνει στη Ήπειρο ένα ελληνικό φύλο, οι Θεσπρωτοί. Μια ομάδα τους, οι Έλλόπες, ή Ελλοί ή Σελλοί, αναφέρονται στην Ιλιάδα του Ομήρου ως οι πρώτοι ιερείς στην υπηρεσία του Δία της Δωδώνης. Έτσι, αυτή περίπου την εποχή, ή λίγο αργότερα, εγκαταλείπεται στη Δωδώνη η λατρεία της θεάς Γης και αρχίζει να λατρεύεται ο Δίας.
Κατά τη μυκηναϊκή εποχή (1600- 1100 π.Χ.) το ιερό φαίνεται ότι ήταν ευρύτερα γνωστό, αφού μνημονεύεται συχνά στην Ιλιάδα και την Οδύσσεια . τα ομηρικά έπη περιγράφουν και απηχούν την ακμή και το τέλος του μυκηναϊκού κόσμου, παρότι ο δημιουργός τους έζησε και τα συνέθεσε περίπου 500 χρόνια αργότερα. Οι ανασκαφές έφεραν στο φως αγγεία, όπλα και κοσμήματα του 15ου- 12ου αι. π.Χ., μεταφερμένα στο απομακρυσμένο ιερό από το κέντρο του μυκηναϊκού κόσμου.
Κατά τους λεγόμενους σκοτεινούς χρόνους, που ακολουθούν την κατάρρευση του μυκηναϊκού κόσμου, διακόπτεται κάθε επικοινωνία του ιερού με τη νότια Ελλάδα και σχεδόν τίποτα δεν ξέρουμε για τη λειτουργία του αυτή την περίοδο.

Στην ύστερη γεωμετρική εποχή, από το τέλος δηλαδή του 8ου αι. π.Χ., αρχίζει να αποκτά πανελλήνια ακτινοβολία, όπως φαίνεται από το πλήθος των αφιερωμάτων που έφερναν στη Δωδώνη οι ξένοι προσκυνητές. Χάλκινοι τριποδικοί λέβητες, αγαλματίδια ( ειδώλια), κοσμήματα και όπλα βρέθηκαν στις ανασκαφές της ιεράς οικίας. Η εμβέλεια του ιερού αυξάνει κατά τις επόμενες εποχές, αρχαϊκή (7ος-6ος αι. π.Χ.) και κλασική ( 5ος-4ος αι.), χωρίς ωστόσο να υπάρχουν ακόμη κτίρια λατρείας.

Στις αρχές του 4ου αι., το ιερό περνάει στην κυριαρχία ενός άλλου φύλου, των Μολοσσών, που είχαν εγκατασταθεί στο λεκανοπέδιο των Ιωαννίνων ήδη από το 12ο αι. και σταδιακά επέκτειναν την κυριαρχία τους. Η εποχή αυτή αποτελεί τομή για την εξέλιξη του ιερού, όπου εγκαινιάζεται πολιτική εκτεταμένων οικοδομήσεων.
Κατά τους ελληνιστικούς χρόνους το ιερό γνωρίζει νέα περίοδο ανάπτυξης: στις αρχές του 3ου αι. π.Χ. ο Μολοσσός βασιλιάς Πύρρος εγκαινιάζει πολιτική εξωραϊσμού και το στολίζει με νέα οικοδομήματα, έτσι ώστε η Δωδώνη αποκτά- και ως προς την αρχιτεκτονική της σύνθεση- χαρακτήρα πανελλήνιου  ιερού. Στο τέλος του 3ου αι. π.Χ., μετά από καταστροφική επιδρομή των Αιτωλών (219 π.Χ.), όλα τα κτίρια του ιερού ανοικοδομούνται με ιδιαίτερη φροντίδα και η Δωδώνη γνωρίζει την τελευταία της λαμπρή οικοδομική φάση.
Το 167 π.Χ., ο Ρωμαίος ύπατος Αιμίλιος Παύλος καταστρέφει 70 ηπειρωτικές πόλεις και πυρπολεί το ιερό της Δωδώνης. Έκτοτε, παρότι επισκευάσθηκε και συνέχισε να λειτουργεί για αρκετούς αιώνες, δεν απέκτησε ποτέ την προηγούμενη ακμή του. Το ιερό και το μαντείο σίγησαν για πάντα στο τέλος του 4ου αι. π.Χ. μετά την γέννηση του Χριστού, πιθανότατα όταν ο Μέγας Θεοδόσιος απαγόρευσε την τελετή των αγώνων και στο ιερό της Ολυμπίας
Με την επικράτηση του χριστιανισμού, στο τέλος του 4ου αιώνα, η Δωδώνη έγινε έδρα επισκόπου και μέσα στο ιερό χώρο κτίστηκε χριστιανική εκκλησία.