İlk kuruluşuna ait kesin bilgi ve belgelerine henüz rastlanılmayan Çay İlçesinin geçmişi Milattan önceye uzanmaktadır. İlçemizde bakır çağının yaşandığı Cumhuriyet Köyü Höyüğü, Karamık Köyü Höyüğü, Geneli Köyü Höyüğü, Geneli Gölbaşı Köyü Höyüğü, K. Karacaören Kara Musa Höyüğü, Devederesi Höyüklerinden anlaşılmaktadır.
Helenistik dönemde Gelene’nin son safrafı Alezyez’in daha İskender gelmeden önce İran ‘a kaçtığı, İskender’e elçi gönderdiği savaşmak istemediklerini bildirdiğini bilmekteyiz. Bu zamanda General Antigon eski Kral Yolundan (M.Ö.333) Çölovası Metropolis (Tatarlı) Holmi(K.Karacaören),İpsos (Çay),Gaysterpediom(Bolvadin Üç Höyükler),Abasion(Gömü) yoluyla Gardiona varmıştır.(Tarihte İskender’in Kördüğümü çözdüğü rivayet bu zamanda olmuştur.) İlçemizin İlk adı İPSOS’tur.
Araştırdığımız kaynaklar İpsos Meydan Savaşının ilçe topraklarımızda olduğunu göstermektedir. Antigon İskender’in yerine geçmeye çabalarken M.Ö.314 yılında Gelene’ye gelerek burasını merkez yaptı. Diğer generaller hazırladıkları ordularla (Mısır Kralı Batiamyus Suriye Kralı Selerkos, Trakya Kralı Lizimokos) Antigon üzerine yürüdüler. İpsos(Çay) şehrinde birleştiler. İki Ordu arasında kalan Antigon’un ordusu yapılan savaşta perişan oldu. Bu savaş sonunda İpsos ve Kaysterpedium şehirleri halkı dağlara kaçmış, şehirler yağmalanıp yakılmıştır.
Roma Cumhuriyeti döneminde Frigya Parure ilçesi sınırları içinde Akşehir ve Sultandağı ile birlikte yönetim birimi olmuştur. Frigya Parure Yanık Frigya anlamına gelir. Bu ad M.Ö.301 yılında İskender’in genarelleri arasında yapılan İpsos Meydan savaşı sonrası harap durumundan dolayı denmiştir.
Yulya Julia Frigya Parure bölgesinde Synnadik ilinin Fiomelion(Akşehir) İlçesine bağlı ve bölgenin en batı ucunda bir kasabadır. İpsos Kasabasının kurulduğu yer üzerinde Roma İmparatorluk çağında Romalılar tarafından kurulan kasabaya İmparatoriçe Julia nın adı verilmiştir. Julia eski kral yolu üzerinde kervanların konakladığı önemli bir ticaret merkezi olmuştur. Julia Belediyesi’nin tapınak yapımı ziyaretler, dini törenler ve festivaller nedeniyle birkaç sikke bastığı bilinmektedir. Paralarında en çok kraliçenin adları bulunur. Sultandağı eteklerinde kurulan Men Tapınağının açılış töreni için basılan sikkede tapınak içinde Men ve ayrıca atı üzerinde elinde külüngü ile yine Men (Ay Tanrısı) resimleri basılmıştır. Ay tanrısı, omzunda zamanla çifte ağızlı balta taşır biçimde tasvir edilmiştir. Şehir öreni, Çay Deresinin kumları altında kaldığından bu dönemle ilgili eserlere rastlanılmamıştır.
Roma Çağı’nda ticaret hayatına ve yollara verilen önem, buluntulardan çok iyi anlaşılmaktadır. Şehirlerarası yolların yapım ve onarımına çok önem verilmiş, hatta yollarda bu dönemde mesafe taşları kullanılmıştır. Bunlardan bir tanesi de Afyonkarahisar Arkeoloji Müzesindedir.
Selçuk Türklerinin Anadolu’yu fethi sırasında Bekçioğlu Emir Afşin, Orta Anadolu ‘da Ameria(Emirdağ) önlerine kadar geldi. Bölgenin ne şekilde kimler tarafından fethedildiğini bildiren kayıtlar olmamasına rağmen Emir Ahmet Şah, Emir Sanduk ve Dolathan kuvvetleri tarafından fethedildiği sanılmaktadır.
Haçlı Savaşları sırasında Haçlı ordularınca tahrip edilen şehre 1155 yıllarında Selçuklu Devleti tarafından Oğuz Türkleri yerleştirilmiş adı da Çay Değirmeni olarak değiştirilmiştir. 1278 yılında Selçuklulara Başkaldıran Karamanlıların ve Şehzade Seyenüs’ün tenkii sırasında, Selçuk Sultanı Gıyasettin Keyhüsrev, Mücahit Yunus Bey ve Mehmet Bey, oğlu Oğuz’a verdikleri direktifle halen kullanılmakta olan Taş Camii ve Kervansaray ile bu gün yıkılmış olan Hamam’ı yaptırmıştır.
Selçuklu Sultanı III. Gıyasettin Keyhüsrev öldükten sonra bölgenin Eşrefoğullarının himayesine girdiği anlaşılmaktadır. Bölge yaklaşık 8 yıl Eşrefoğularının himayesinde kalmıştır Daha sonra Anadolu genel valisi Demirtaş’ın Ahmet Bey’e verilmesiyle Yalvaç, Karaağaç ve Bolvadin’le birlikte bölge Sahipata oğullarının eline geçmiştir.
Sahipataoğulları Beyliğinin kurucusu Sahipatanın yerine geçen torunu Şemsettin Ahmet Bey, Germiyanoğlunun damadı idi. Ölümünden sonra yerine geçen oğulları Nusrettin Ahmet ve Muzafferittin Devlet Beylerden Ahmet Bey ana tarafından bağlı bulunduğu Germiyan sarayına gitmiş ve bölgenin egemenliği Germiyanoğullarına geçmiştir.
Germiyan Beyi II. Yakup samimi bir Osmanlı dostu olup beyliğini vasiyet yoluyla II. Murat’a bırakmış ve böylece Germiyan Beyliği içinde bulunan bölge de Osmanlıların eline geçmiştir.
2.Nisan1921 günü Yunan ordusunca işgal edilen Çay, bir gün sonra 3 Nisan 1921 günü ordumuzca geri alınmıştır. Daha sonra 21 Ağustos 1921 günü Yunan ordularınca ikinci kez işgal edilen Çay 35 gün şanlı ordumuzca 24 Eylül günü kurtarılmış ve o günden sonra Kurtuluş Savaşımızın sevk ve idaresinde önemli karargâh merkezlerinden biri olmuştur.
Çayımız Bolvadin ilçesine bağlı bir nahiye iken 1958 yılında ilçe olmuştur