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Bis zur Römerzeit wissen wir nicht viel über die Geschichte des Mühlviertels. Das Gebiet wurde vermutlich von einfachen Germanenstämmen bewohnt, wie einige Funde zeugen. Die Römer machten dann durch eine Klientelherrschaft die germanischen Stämme des Mühlviertels von sich abhängig. Als Stützpunkt wurde das Holzkastelle Lentia - das spätere Linz - erbaut.

In der Zeit vom 6. bis zum 8. Jahrhundert siedelten sich die Bajuwaren (Bayern) vereinzelt im oberen Mühlviertel an. Sie trafen dort auf slawische Siedlertruppen, die seit dem 7. Jahrhundert dort lebten. Es scheint jedoch zu keinen kriegerischen Auseinandersetzungen gekommen zu sein.

Im Mittelalter wurde das obere Mühlviertel dann weiter erschlossen (speziell das Gebiet westlich vom Haselgraben). So vergrößerte etwa das Adelsgeschlecht der Waxenberger seine Besitzungen indem es sich des Gebietes zwischen Haslegraben und kleiner Rodel bemächtige und 1150 dort die Burg Waxenberg errichtete. In der zweiten Hälfte des 12. Jahrhunderts griff auch die babenbergische Herrschaft erstmals auf einen Teil des Mühlviertels über, da sich die Waxenberger dem österreichischen Herzog (ein Babenberger) anschlossen.

Nach dem Tod des letzten Babenbergers Herzog Friedrich II (1246) kam es zu Grenzstreitigkeiten mit dem Königreich Böhmen. In Folge erhielt König Ottokar II von Böhmen den babenbergischen Teil Oberösterreichs bis zum Hausruck und bis zur Großen Mühl. Unter der Herrschaft der Habsburger wurde das Gebiet wieder an Österreich angeschlossen. Westlich der Großen Mühl erstreckte sich das Bistum Passau, das seit Beginn des 12. Jahrhunderts seinen Einflußbereich sukzessive ausgeweitet hatte. Östlich des Haselgrabens bildeten die Riedmark (der Name des Landstriches östlich des Haselgrabens) und das Landesgericht Freistadt eine landrechtliche Einheit.

In den Jahren 1594-1597 kam es im oberen Mühlviertel zu einem Bauernaufstand, der mit einem Sturm auf die klösterlichen Pfarren begann. Der Aufstand scheiterte jedoch am gemeinsamen Vorgehen der Grundherren. Ein weitere Aufstand, der vom Mühlviertel aus auf das Hausruck- und Machlandviertel übergriff mißlang ebenfalls. Die Anführer der Bauern wurden allesamt hingerichtet

Von den Kampfhandlungen des 30jährigen Kriegs blieb das Mühlviertel verschont, obwohl der Feldherr Wallenstein 1634 geraten hatte, in das Land einzfallen.

1779 wurden die Gebiete des bisherigen Mühlviertels mit dem Machlandviertel zu einem "Neuen Mühlviertel" vereinigt. In dieser Zeit hatte das Mühlviertel in etwa 152.400 Einwohner - der überwiegende Teil Bauersleute. In der Zeit des Vormärzes entwickelte sich das Mühlviertel zu einem Musterland in Sachen Landwirtschaft. Hier wurden etwa die höchsten Hektarerträge aller österreichischen Länder erzielt und das obwohl es den Bauern nach wie vor schlecht ging. Neben der Landwirtschaft waren weiters die Leinenproduktion, Flachsherstellung und das Eisengewerbe bedeutsam. Im Bereich der Volkskunst erfreuten sich die Hinterglasmalereien von Sandl großer Beliebtheit.

Nach dem ersten Weltkrieg, wurde die Grenze zur Tschechoslowakei gezogen. Während des zweiten Weltkrieges wurde in Mauthausen ein Konzentrationslager errichtet. Am 26. 4. 1945 erreichten amerikanische Soldaten die Grenze des oberen Mühlviertels und betraten erstmals oberösterreichischen Boden.

Obwohl in der Nachkriegszeit die Landwirtschaft nach wie vor vorherrschend im Mühlviertel war, ging ihre Bedeutung allmählich zurück. Seit dem Entstehen der großen Industrien in Linz nahm der Anteil der Pendler immer mehr zu. 1980 waren es über 7000 Personen, die täglich vom Mühlviertel in die Landeshauptstadt fuhren.