民國35年8月成立新竹縣衛生院，於民國39年10月改制桃園縣衛生院，並於民國50年7月因組織規程修編，始改制為桃園縣衛生局，92年1月1日配合地方政府組織再造方案，機關銜名改為「桃園縣政府衛生局」。本局舊有辦公廳舍原址為桃園市統領百貨現址，後因環境變遷，人口急遽增加，衛生業務日增，於民國69年搬遷至現址。
「桃園縣政府組織再造專案小組」於92年1月9日第4次會議決議：桃園縣立慢性病防治所整併，業務及員額併入衛生局，爰此，慢性病防治所於92年5月1日業務移交本局疾病管制課，6個職缺納入本局編制員額。
民國92年7月「桃園縣政府組織再造專案小組」第7次會議核定本局員額80人，配合97年1月桃園縣政府組織自治條例修正目前設置7個業務科(疾病管制科、企劃科、醫政科、藥政科、保健科、衛生檢驗科、食品衛生科)及行政科、會計室、人事室、政風室，轄下十三個衛生所。
配合100年1月1日本縣改制準直轄市，本局設置8個業務科(醫事管理科、健康促進科、食品藥物管理科、疾病管制科、長期照護科、衛生檢驗科、衛生稽查科、綜合企劃科)及秘書室、會計室、人事室、政風室，轄下13個衛生所。
民國103年2月20日經通盤衡酌業務需要情形，再進行組織調整，將上開衛生稽查科及衛生檢驗科整併為衛生稽查檢驗科，另成立心理健康科，維持8科(醫事管理科、健康促進科、食品藥物管理科、疾病管制科、長期照護科、衛生稽查檢驗科、心理健康科、綜合企劃科)4室(秘書室、會計室、人事室、政風室)13鄉鎮市衛生所之組織規模，並配合103年12月25日配合本縣改制直轄市，機關銜名改為「桃園市政府衛生局」；13鄉鎮市衛生所名稱亦同步調整為13區衛生所。
民國105年3月23日應業務需要，再進行組織及業務調整，將上開食品藥物管理科修正為食品管理暨檢驗科，衛生稽查檢驗科修正為藥政管理暨稽查科，並將檢驗業務移至食品管理暨檢驗科、藥政業務移至藥政管理暨稽查科。