天山区是清代迪化城与新满城以及城厢的旧址，也即是解放初期的乌鲁木齐

市一、二、三、四、五区的辖区。

1957年，一、四、五区合并成立天山区，二、三区合并成立多斯鲁克（维语，意为友谊）区，并分别成立区人民委员会。

1960年，撤销多斯鲁克区，将所辖地段并入天山区。

2000年，天山区辖12个街道。

2001年，天山区辖14个街道、1个乡：解放北路街道、新华北路街道、胜利路街道、解放南路街道、幸福路街道、和平路街道、青年路街道、新华南路街道、燕儿窝街道、乌拉泊街道、东门街道、团结路街道、延安路街道、碱泉街道、大湾乡。

2002年3月9日，国务院批准将天山区的乌拉泊街道划归乌鲁木齐市南泉区（更名为达坂城区）管辖。

2016年1月9日，新疆维吾尔自治区政府（新政函〔2016〕3号）批复同意将现沙依巴克区管辖面积约44.9平方公里（包括原自治区畜牧厅所辖乌鲁木齐地方国营种牛场在沙依巴克区行政区划范围内约38.4平方公里和沙依巴克区约6.5平方公里）划归天山区管辖。