因境内有天台山、园艺场，取“园”之谐音“元”，合名为天元。解放初，辖区分属湘潭县藕花乡、藕灵乡。1959年划属株洲市郊区，1965年划归株洲县；1966年园艺场复划入株洲市郊区。1992年2月经湖南省人民政府批准，于园艺场辖区范围成立株洲高新技术产业开发区，同年12月经国务院批准为国家级开发区。
1997年5月31日，国务院批准（国函[1997]40号）：设立天元区，辖原株洲县的群丰镇、马家河乡和原郊区的园艺场。区人民政府驻黄河北路。同年7月，湖南省人民政府批复同意调整株洲市市辖区行政区划：天元区东、北以湘江河为界，南以群丰镇与雷打石镇界线为界，西以株洲市与湘潭市界线为界。
2000年，马家河撤乡设镇。调整后，天元区辖2个街道、2个镇。同年经市政府批准将天元区和株洲国家高新技术产业开发区实行职能归并、效能整合，组成株洲河西新区。
2000年第五次人口普查，全区总人口120741人，其中：嵩山路街道31001人、泰山路街道40830人、马家河镇27411人、群丰镇21499人。
2005年4月27日，株洲市人民政府（株政办发[2005]11号）转发省民政厅湘民行发[2005]10号文件批复：同意将天元区马家河镇的凿石、南塘、王家坪、栗雨4个建制村和王家坪社区划入泰山路街道办事处。行政区划调整后，马家河镇辖1个社区、11个建制村，总面积51.86平方千米，总人口1.86万人，镇人民政府驻地不变；泰山路街道办事处辖15个居委会、8个建制村，总面积28.34平方千米，总人口5.34万人，办事处驻地不变。同年，天元区增加1个街道办事处，调整1个镇、1个街道办事处的部分行政区域：增设栗雨街道办事处；调整马家河镇、泰山路街道办事处的部分行政区域。具体调整如下：马家河镇4个建制村和1个社区划入泰山路街道办事处；设立栗雨街道办事处（办事处机关驻栗雨工业园）。2005年末，天元区辖3个街道、2个镇。
2011年，将株洲县的雷打石镇和三门镇划归天元区管辖（湘民行发[2011]6号）。行政区划调整后，天元区总面积327.6平方千米，总人口24.6万人，辖3个街道、4个镇：嵩山路街道、泰山路街道、栗雨街道、马家河镇、群丰镇、雷打石镇、三门镇，区政府驻地不变。
