อุทยานแห่งชาติดอยหลวง มีอาณาเขตครอบคลุมพื้นที่รอยต่อของ 3 จังหวัด คือ เชียงราย ลำปาง และพะเยา เป็นอุทยานแห่งชาติที่ได้ยกฐานะมาจากวนอุทยานน้ำตกจำปาทอง วนอุทยานน้ำตกผาเกล็ดนาค วนอุทยานน้ำตกปูแกง และวนอุทยานน้ำตกวังแก้ว รวม 4 แห่ง ที่มีพื้นที่ติดต่อเป็นผืนเดียวกัน มีสภาพธรรมชาติและจุดเด่นเป็นแหล่งท่องเที่ยวที่มีความสวยงามมากแห่งหนึ่งของภาคเหนือ มีเนื้อที่ทั้งหมดประมาณ 731,250 ไร่ หรือ 1,170 ตารางกิโลเมตร
กองอุทยานแห่งชาติได้มีหนังสือ ที่ กส 0708/3430 ลงวันที่ 30 พฤศจิกายน 2524 เสนอกรมป่าไม้ เพื่อขอยกฐานะวนอุทยานน้ำตกจำปาทอง วนอุทยานน้ำตกผาเกล็ดนาค อำเภอเมือง จังหวัดพะเยา และวนอุทยานน้ำตกปูแกง อำเภอพาน จังหวัดเชียงราย ซึ่งมีอาณาเขตติดต่อกันและอยู่ในป่าเทือกเขาดอยหลวงด้วยกันเป็นอุทยานแห่งชาติดอยหลวง โดยได้มีคำสั่งกรมป่าไม้ ที่ 1578/2524 ลงวันที่ 1 ธันวาคม 2524 ให้ นายธวัชชัย เสถียรกาล นักวิชาการป่า 4 ไปทำการสำรวจเบื้องต้นและทำหน้าที่หัวหน้าอุทยานแห่งชาติดอยหลวง ซึ่งอุทยานแห่งชาติดอยหลวงได้มีหนังสือที่ กษ 0713(ดล)/5 ลงวันที่ 2 มิถุนายน 2525 ส่งรายงานการสำรวจ ปรากฏว่าพื้นที่ดังกล่าวมีจุดเด่นทางธรรมชาติที่สวยงามหลายแห่งมีสภาพป่าที่อุดมสมบูรณ์ เหมาะสมที่จะรวมวนอุทยานทั้งหมด จัดตั้งเป็นอุทยานแห่งชาติ
ต่อมาจังหวัดลำปางและป่าไม้เขตลำปางได้ขอให้กรมป่าไม้จัดบริเวณวนอุทยาน น้ำตกวังแก้ว จังหวัดลำปาง เป็นอุทยานแห่งชาติเพื่อให้สอดคล้องกับมติคณะรัฐ เมื่อวันที่ 25 มกราคม 2526 ที่กำหนดให้จังหวัดลำปางเป็นจังหวัดส่งเสริมการท่องเที่ยว ผลการสำรวจปรากฏว่า มีพื้นที่เป็นบริเวณติดต่ออยู่ในเทือกเขาดอยหลวง ซึ่งเป็นป่าผืนเดียวกันทั้งหมดและเป็นป่าต้นน้ำลำธารชั้นที่ 1 A ตามมติคณะรัฐมนตรี เมื่อวันที่ 28 พฤษภาคม 2528 และเป็นแหล่งต้นน้ำลำธารที่สำคัญของลำห้วยหลายสายซึ่งไหลลงสู่กว้านพะเยา พื้นที่ที่สำรวจมีธรรมชาติและจุดเด่นที่สวยงามมากมาย เหมาะสำหรับการจัดตั้งเป็นอุทยานแห่งชาติ
กองอุทยานแห่งชาติ กรมป่าไม้ ได้นำเสนอคณะกรรมการอุทยานแห่งชาติมีมติในการประชุมครั้งที่ 4/2523 เมื่อวันที่ 30 ตุลาคม 2528 เห็นชอบในหลักการที่จะให้ดำเนินการออกพระราชกฤษฎีกากำหนดพื้นที่ดังกล่าวเป็นอุทยานแห่งชาติดอยหลวงต่อไปได้ ทั้งนี้ให้กันพื้นที่บริเวณที่ราษฎรถือครองออกเสียก่อน โดยให้ยึดถือแนวทางปฏิบัติตามมติคณะรัฐมนตรี เมื่อวันที่ 12มิถุนายน 2527 คือ ให้ยึดถือภาพถ่ายทางอากาศปี 2510 เป็นเกณฑ์พิจารณา
กองอุทยานแห่งชาติ จึงได้ติดต่อประสานงานกับเจ้าหน้าที่ท้องที่ดำเนินการตรวจสอบ เพื่อดำเนินการออกประกาศพระราชกฤษฎีกากำหนดบริเวณที่ดินป่าแม่ลาวฝั่งขวา ป่าแม่ส้าน และป่าแม่ใจ ในท้องที่ตำบลแม่สรวย ตำบลแม่พริก ตำบลศรีถ้อย ตำบลท่าก๊อ อำเภอแม่สรวย ตำบลธารทอง ตำบลทรายขาว ตำบลสันกลาง ตำบลป่าหุ่ง ตำบลม่วงคำ ตำบลแม่เย็น อำเภอพาน ตำบลสันสลี ตำบลเวียง ตำบลบ้านโป่ง ตำบลป่างิ้ว ตำบลหัวฝาย อำเภอเวียงป่าเป้า จังหวัดเชียงราย ตำบลป่าแฝก ตำบลเจริญราษฎร์ ตำบลศรีถ้อย ตำบลแม่สุก อำเภอแม่ใจ จังหวัดพะเยา ป่าขุนวัง แปลงที่สอง ป่าขุนวังแปลงที่สาม ป่าขุนวังแปลงที่หนึ่ง ป่าแม่โป่ง และป่าแม่งาวฝั่งซ้าย ในท้องที่ตำบลทุ่งฮั้ว ตำบลวังเหนือ ตำบลวังใต้ ตำบลร่องเคาะ อำเภอวังเหนือ และตำบลบ้านร้อง อำเภองาว จังหวัดลำปาง และป่าแม่ต้ำ ป่าแม่นาเรือ ในท้องที่ตำบลบ้านใหม่ ตำบลท่าจำปี ตำบลบ้านต้ำ ตำบลบ้านต๋อม ตำบลบ้านสาง ตำบลบ้านตุ่น ตำบลแม่นาเรือ อำเภอพะเยา จังหวัดพะเยา ให้เป็นอุทยานแห่งชาติดอยหลวง ซึ่งประกาศในราชกิจจานุเบกษา เล่ม 107 ตอนที่ 61 ลงวันที่ 16 เมษายน 2533 มีพื้นที่ทั้งหมด 731,250 ไร่ เป็นอุทยานแห่งชาติลำดับที่ 61 ของประเทศ
