El lugar en donde se encuentra la ciudad era llamado por los nativos de la zona Ñancahuasu (río de las Corzuelas). A fines del siglo XIX, el Ejército Argentino lanza la Conquista del Chaco, con la cual el estado nacional domina a los indígenas y extiende su autoridad en la zona, la que pasa a formar parte de la provincia de Salta.
Luego se extienden los ferrocarriles, y al crearse la Estación del F.F.C.C. General Belgrano, se la bautiza con el nombre de Manuela Pedraza.
Pero el lugar rápidamente adopta el nombre de Tartagal, por la gran cantidad de plantas de tártago, con cuyas semillas se produce el aceite de ricino.
A principios del siglo XX se descubrieron importantes yacimientos de petróleo; la cuenca representa el 25% de la producción total del país y cerca del 16% de la producción total de gas. Luego de 1926 la zona atrajo trabajadores que dieron un importante crecimiento a esta ciudad. La empresa nacional Yacimientos Petrolíferos Fiscales (YPF) aseguraba vivienda, escuelas para los hijos de los trabajadores y vacaciones pagas.
En 1992, el presidente Carlos Menem decidió privatizar la exploración, extracción y exportación de petróleo y gas, que de esta forma pasaron principalmente a manos de la española Repsol. La privatización fue un duro golpe para la ciudad. El 90% de los antiguos trabajadores de la YPF estatal fueron despedidos, y miles de personas emigraron de la ciudad. En 1999 y en 2002-2003 la ciudad fue escenario de graves y violentos conflictos sociales como resultado del desempleo.
A principios de 2006 una crecida del Río Tartagal provocó importantes destrozos, y el 9 de febrero de 2009 la situación se repitió causando al menos 2 muertos, 6 desaparecidos y graves daños en la infraestructura de la ciudad.
