温泉镇因镇内温泉而得名。镇域地势南高北低，西高东低。大部分为褐色土壤。镇内西山北麓曾被描述为“灵渊神瀵（地下喷出的水），随在涌现，不可枚举也”（《日下旧闻考》）。温泉村堂子山（又名显龙山）北的温泉，水温常年保持在36度左右，明代以前就开始用于沐浴。本世纪20年代曾建立“天然疗养院”。寿安山北的黑龙潭，“有泉从石缝间出，源源不竭，潴而为潭泓如也……四时不枯。若遇干旱以及涨溢，他山之泉亦或盈缩，而此泉自如，人尤异之。相传以为有龙居焉，号曰龙湫，又庙于旁亦曰龙王庙。”因此成为百姓求雨圣地。温泉村东有1936年冯玉祥等建的“辛亥滦州革命先列纪念碑”。附近有据传在乾隆二十三年（1758年）前后曹雪芹居处旁的石桥。

历史记载表明，现温泉镇域在明代以前大体属昌平县（前身军都县），其中西南部唐末至金初可能曾属玉河县。明后期大体以今百望山至温泉道路为界，其北太舟坞、杨家庄、东埠头一带属昌平县（州），其南白家疃、温泉及高里掌、辛庄一带属宛平县。至清代康熙初年，温泉、白家疃一带划入城属地区，高里掌、辛庄一带为宛平县直辖地。

1928年6月，城属地区划为北平市行政区域。温泉、白家疃一带和冷泉地区是当时“山后”仅有的北平市辖地，属西郊区，1947年3月，又划入北平市第十七区。抗日战争和解放战争中当地是中共领导的人民武装的游击区，行政上属昌宛县（昌宛房、昌宛怀）工作范围。

1948年12月，现镇域解放，分属北平市十七区、宛平县和昌顺县。在现镇域内十七区设温泉、白家疃两村（行政村）；宛平县设高里掌、辛庄两村（属八区，后划为六区）；昌顺县设东埠头、杨家庄（一称杨各庄）、太舟坞3村（属十一区，后划入六区）。

1949年7月，温泉等地划归新设的北平市十六区（后改为十三区、海淀区）。10月，昌顺县改为昌平县。宛平县、昌平县1950年2月、6月两次调整区建置，高里掌、辛庄先后划入宛平县五区、三区，太舟坞等地划入昌平县二区。

1950年10月，原属昌平县管辖的黑龙潭风景区划归北京市（属十三区）。

1952年9月，宛平县撤销，高里掌、辛庄、北安河等10村划归海淀区。

1953年5月，行政村改乡，现镇域设海淀区温泉（高里掌、辛庄并入）、白家疃乡，昌平县设东埠头乡（原杨家庄、东埠头、太舟坞合并）。

1956年2月，昌平县划入北京市行政区域，东埠头乡随之成为北京市辖地。3月原温泉、白家疃和冷泉乡合并为新的温泉乡，昌平区原东埠头并入新的永丰屯乡。

1955年底，当地实现农业合作化，到1957年初现乡域内温泉乡有“温泉”社，永丰屯乡有“曙光”社，直至1958年8月。

1958年9月1日，当时海淀区温泉乡及“温泉”社、“五四”社（冷泉）划归昌平区，和永丰屯乡等地区并入新成立的先锋人民公社。10月7日，先锋公社大部分（包括现镇域全部）又划归海淀区，并入新成立的永丰人民公社。

1961年4月，永丰公社结束，以1956年初温泉、白家疃、冷泉、东埠头乡域成立温泉人民公社。

1959年8月成立的冷泉畜牧场属温泉公社行政区域范围（1970年1月划归温泉公社领导）。

1978年12月，冷泉地区划归东北旺公社（中日友好公社）。

1984年4月9日，成立温泉乡，人民公社体制结束，乡集体经济组织定名为乡农工商总公司。

1990年4月，温泉乡在全区农村率先成立乡经济合作联社（与乡农工商总公司为“一个组织、两个名称”）和各村经济合作社。

1993年5月，北京市民政局批复同意设温泉镇。至1997年5月30日，海淀区政府批复同意，自即日起，撤销温泉乡，设立温泉镇，以原温泉乡行政区域为温泉镇行政区域。镇党政机关原驻白家疃村西部。2000年11月迁至白家疃村北300米处新址。