寒川神社の正確な創祀年代は、現存する資料には記載されていません。ただし、雄略天皇（四五六～四七九）の御代に奉幣、また神亀四年（七二七）社殿建立と伝える記録があり、少なくとも約千六百年の歴史を有することになります。
公の記録として残る最初のものは、仁明天皇承和十三年（八四六）神階従五位下を授けられたと『續日本後紀』に確認することができます。以来神階の授与が度々なされており、齋衡元年（八五四）従四位下、元慶八年（八八四）正四位下、延喜十六年（九一六）正四位上と進階されました。 また『延喜式』神名帳（九二七年編纂）によれば、相模國十三社のうち、唯一の名神大社とされています。

寒川神社の八方除は古くから全国に知られており、過去には源頼朝、北條義時、武田信玄等の武将、徳川家代々の篤い信仰を受けてきました。
伝承によると、武田信玄は永禄十二年(一五六九)十月の小田原城攻めの際、寒川神社へ立ち寄り、兜を奉納し、信玄芝原で兵を休めた、という逸話が残っています。その際に奉納された兜は寒川神社に現存しており、神奈川県の重要美術品として指定されています。