因西邻头屯河而得名。解放前属乌鲁木齐县。这里只有几户人家，基本上是戈壁荒原。1938年苏联在此帮助建立一座小型农机修造厂。1949年新疆和平解放后，王震同志率领驻疆部队在头屯河建起新疆八一钢铁厂。随着地区工业的发展和人口的增长，1956年7月乌鲁木齐市在此设立头屯河镇。1961年4月将头屯河镇改为头屯河区（一说，1961年头屯河区与“钢城公社”合署办公。1967年更名头屯河区）。
1996年，头屯河区辖4个街道：头屯河街道、火车西站街道、王家沟街道、乌昌路街道。
2000年第五次人口普查，头屯河区常住总人口130146人，其中：头屯河街道51660人、火车西站街道32086人、王家沟街道2638人、乌昌路街道5105人、兵团三坪农场13071人、兵团五一农场10855人、兵团头屯河农场14731人。
2003年底，头屯河区总面积275.59平方千米，总人口124339人。辖5个街道，38个居委会、1个行政村：头屯河街道、火车西站街道、王家沟街道、乌昌路街道、北站西路街道；河南庄村。区政府驻北站公路10号。
2004年底，头屯河区辖5个街道：头屯河街道、火车西站街道、王家沟街道、乌昌路街道、北站西路街道；河南庄村，27个居委会、1个行政村。
2010年第六次人口普查，头屯河区常住总人口172796人，其中：头屯河街道55552人，火车西站街道37472人，王家沟街道9967人，乌昌路街道5861人，北站西路街道7167人，头屯河区乡类似乡镇单位8343人，兵团十二师三坪农场11798人，兵团十二师五一农场12106人，新疆兵团十二师头屯河农场24530人。
