城北区现辖地区自清雍正三年（公元1725年）以后长期属西宁县。

民国三十五年（公年1946年）西宁建市，原西宁县地分划西宁市与湟中县管辖，小桥、下朝阳等临城地带归西宁市，小桥村以西，毛胜寺、上朝阳村以北归湟中县。

1949年西宁解放后，小桥和朝阳乡属西宁市六区（后改为五区），中兴乡（今二十里铺乡）、三其乡属湟中县一区，吴仲乡（今大堡子乡）属湟中县五区。

1952年4月，将第四区和第五区的七个乡划出，又将一乡改为一、八两乡，设立郊区。当时，朝阳乡为第六乡，小桥乡为第七乡。

1954年7月，郊区又分为东较区和西郊区，朝阳乡和小桥乡属西郊区。

1956年，中兴、三其、吴仲及德胜乡划归西宁市，同原西宁市管辖的朝阳、莫家泉湾及小桥街道办事处均属新建的城西区管辖。

1958年，城北地区诸乡分别加入了“东风”（后称多巴，下同）和“七·一三”（后称后子河，下同）人民公社。

1963年，中共西宁市委设郊区工作委员会，次年与西宁市农牧局合署办公，对郊区农村和国营农牧企事业实行具体领导和管理。

1960年4月，撤销城中区，再建县一级的城东区和城西区。同时，在郊区新建县一级的通海区和平安区。次年5月，再撤销城西区、城东区，并且将其合并成立城区。城北地区的村庄（当时称生产大队）分属通海区和城区。

1962年4月，撤销通海区和城区，原属两区的城北地区4个公社（即二十里铺公社、大堡子公社、马坊公社、小桥公社），改由西宁市人民委员会直接领导。

1963年3 月，再建城中、城东、城西三个市辖区，并成立中共西宁市郊区工作委员会。次年，郊区工作委员会与西宁市农牧局合署办公，两个牌子，一套人马，管辖市郊的7个人民公社（即中庄、十里铺、沈家寨、彭家寨、二十里铺、马坊、大堡子）。

1965年12月，中共西宁市郊区工作委员会改为中共西宁市郊区委员会，代行郊区政府的职能。

1971年7月，西宁市革命委员会对所属的行政机构进行调整，新成立郊区革命委员会，与市农牧局合署办公。

1976年，西宁市革命委员会（简称革委会，下同）设郊区办事处。

1980年2月，撤销郊区办事处，成立郊区人民政府。10月，又改郊区工委为郊区党委。

1986年6月经国务院批准，西宁市人民政府决定撤销郊区，新设城北区，管辖原郊区的马坊、大堡子、二十里铺三个乡和城西区划过来的小桥、朝阳、三其、大堡子、马坊、二十里铺六个街道办事处。区政府驻地仍在原郊区政府办公的地方，即兴海路153号，距西宁市政府驻地1.5千米。

1995年迁入新址朝阳西路。