铁西区历史可以上溯到春秋战国时期。
1958年，在当时属于铁西行政管辖的郑家洼子发现了古墓群。
1965年，发掘了14座，出土文物有青铜短剑、石器、陶器、纺轮、网坠、铜镜以及完整的人骨和成套的车马具等，共42种797件。
经鉴定，距今有2700多年。
这个发现证明了2700年前铁西地区就有了人类活动。
[9-10]1905年，日本人在中国境内修筑的军用铁路安奉线（安东到奉天）竣工。
这年6月，日本野战铁道提理部在终点（沈阳站）西侧建成修理火车机车的奉天机关区，这是铁西第一家使用现代机器的企业。
1907年，日本成立了南满洲铁道株式会社（简称南满），并将“铁路用地”改为“满铁附属地”，1908年12月，满铁将铁道西侧的“附属地”定为工业区，开始了对铁西区的规划和掠夺。
从规划“附属地”后到1931年九一八事变前，日本在“附属地”内外投资建设工业企业共29家，投资总额达3629.1万日元。
所涉及行业包括制陶、窑业、粮油加工及机器加工和毛纺等。
1931年“九·一八”事变后，日本侵略者占领沈阳。
将“沈阳市”重新改为“奉天市”，成立伪奉天市政公署，当时铁路以西除附属地外仍属沈阳县。
1932年11月伪奉天都市计划准备委员会成立，以日本大阪为模式进行规划，确定铁西地区为奉天西工业区。
计划将沈阳县所辖的东起南满铁路（现长大）、西到大则官屯（现卫工街），南至浑河、北到皇姑屯（现沈山铁路）定为西工业区（非行政区）。
[11-12]1934年6月《西工业区平面图》制成。
当时的规划是东起安福街（现第二纺织厂西侧马路）西至嘉应街（现兴华大街），南起南五马路（现建设大路），北至中央路（现北三马路），在这个范围内有46家工厂确定了位置筹备兴建，这是铁西早期的建设规模。
同年11月将沈阳县揽军屯一带划入市区。
为了适应掠夺性“开发建设”的需要，1935年3月，由日本满洲铁路株式会社与伪奉天市公署共同出资，设立“奉天工业土地股份有限公司”，后移交市公署，改为“奉天铁西工业土地管理处”，负责铁西工业区规划建设和土地征购。
工业土地股份有限公司强行购买农民的土地并全面实施其规划。
揽军屯三千户居民被强迁到五马路以南的兴顺、齐贤、景星一带，这是铁西区历史上的一次大搬迁。
当时铁西工业区的规划是以南五马路（现建设大路）为界，以南是生活区和商业区，以北是工厂区。
铁西区的城市规划和配套服务设施建设都是为工业生产服务的。
图谋凭借鞍山、抚顺、本溪等周边矿产资源，使沈阳成为伪满时期日本在东北的机械、军火、飞机等重工业中心。
而日本侵略者为了达到长期占领的目的，签定了“日满两国政府协定”，在这个协定下，日本国内以大阪地区为主的一些财团资本家如三井、三菱、住友、大仓等系来铁西建厂或设分支机构，把铁西工业区称为“大阪系资本的别动队”。
日本财团在铁西大量建厂，掠夺中国的资源，同时日本关东军还利用一批工厂进行军工生产，为侵略战争服务。
1937年9月1日，伪奉天市公署发布公告：奉天市划为包括铁西区在内的11个行政区，铁西区辖范围是东起安福街（现第二纺织机械厂西墙外小马路），南至辽中路（现沈辽中路），西至寿同街（现卫工明渠）北至奉山铁路（现沈山铁路）。
同年，日本发动全面侵华战争，对沈阳城市的规划建设基本停止，日本侵略者将沈阳一带的重点工作放在了督促铁西工业区的物资生产上。
1938年1月1日，伪奉天市政公署颁布《奉天市区条例》，成立了铁西区公署，这是铁西区建置的开始。
下辖齐贤、兴顺、景星、中央、应昌、兴工、嘉工、劝工八个分区。
至此，伪满时期铁西区的扩建基本完成。
在日本占领期间，铁西工业区的绝大多数工业企业都是日资企业，少数民族资本工业企业也是在夹缝中勉强经营。
据统计，至1944年底，铁西区内共有工厂401家，其中日资工业企业323家，投资超过百万日元的就有80多家，而民族资本工业企业78家。
可以想象，当时的城市乃至工厂布局完全是为了加速掠夺资源设计的，比如把工厂区布置在上风向、铁路横穿市区等等，这种格局延续到解放后很长时间，对以后铁西区的城市建设和经济发展带来了诸多麻烦和隐患。
1945年，日本侵略者投降，抗日战争胜利，[64]前苏联红军接收了在铁西的日资企业，他们以战利品的名义，将日资企业的工厂的设备拆除，连同遗留的原材料、产品一起运走。
据机床一厂厂志记载，“8月28日苏军进驻原满洲三菱机器株式会社，1946年3月8日撤走。
期间分六次运走工厂机器设备及材料共160余火车皮，损失90%以上。”1946年3月，民国政府接管了铁西工业企业，由于各种原因，铁西的工业遭到了更严重的破坏，工厂基本上处于停产状态。
1948年11月2日，沈阳宣告解放。
“一五”期间，沈阳作为一个以机械制造业为主的工业城市，成为新中国建设的重点，企业高度集中的铁西区更是重中之重，据称国家将六分之一的财力倾注于此。
苏联援建的156项国家重点工程中有3项在铁西，分别是第一机床厂、风动工具厂和电缆厂，另外还有6个配套建设重点企业。
投资超过百万进行企业改造的40多个，新建大中型企业12个。
1952年9月23日，沈阳市投资1200万开始建设“工人村”，一期工程的79幢楼于1952年12月全部完工，建筑面积达108408平方米，包括3396间家属和独身宿舍。
共建有5个建筑群72幢三层砖混楼房，建筑面积99012平方米，工人村建成后，成为当时全国建设最早也是最大的工人居住区，在全国率先实现了“楼上楼下，电灯电话”。
工人村的街志甚至这样记载：“高楼平地起，条条柏油路，路旁柳成荫，庭院花枝俏。”1957年，这里生产的普通车床、凿岩机、滑翔机、橡胶船、25吨塔吊起重机等系列装备产品，均占全国份额100%。
铁西区因此被称为“东方鲁尔”。
[20]至1984年，铁西区上缴的利税是国家投入的5.34倍，并先后输出2.3万多名企业建设者，援建全国500多家企业。
此时铁西区内市属以上企业达到520家，其中大型国营企业58家，沈阳市内的国家重点大型企业，如电缆厂、冶炼厂、水泵厂、重型机器厂、机床厂、制药厂等大部分集中在这一地区。
铁西区形成了以机械工业为主打，拥有矿山重型设备、机床、通用机械、电子、钢材、有色金属、标准件、电力设备、化学、橡胶、制药、食品加工、酿造等门类齐全的综合性工业区。
[20]20世纪80-90年代，“东北现象”开始集中爆发，铁西区在从计划向市场转型中，遭遇空前困境。
2001年，曾经创造了共和国工业史上的350个第一的37家大型国企利税仅为700万元。
[20-21]截至2002年，铁西1100多家大中型国企，资产负债率已超过90%，欠银行债务260亿元，近3000户工业企业停产、半停产，13万职工下岗失业。
[21-22]2002年6月18日，沈阳市决定铁西区与沈阳经济技术开发区合署办公，成立铁西新区，享受市级管理权限。
同年，铁西区启动第一次“东搬西建”，240余家企业陆续从铁西老城区迁至沈阳经济技术开发区。
[23-24]2007年6月9日，铁西区被国家发改委、国务院振兴东北办授予“老工业基地调整改造暨装备制造业发展示范区”称号，[22]同年，铁西区与细河经济区重组，诞生总面积484平方公里的“大铁西”。
[25]2008年12月，铁西区先后被授予“全国改革开放30年十八个典型地区之一”和“2008联合国全球宜居城区示范奖”称号。
[26-27]2012年8月31日，铁西老城区内最后一座大型工业企业沈阳化工迁出，铁西区“东搬西建”任务结束。
[28-29]2019年12月2日，沈阳市民政局发布《关于和平区等10个地区调整部分街道行政区划的公告》，撤销七路街道，将其管辖的建设、第一城、创意、星光、开发、育工6个社区划入重工街道，将工人新村一、工人新村二2社区划入工人村街道；撤销兴工街道，将其管辖的两洞桥、爱工、九委、南七东路4个社区划入兴华街道，将沈辽东路、飞翔路2个社区划入凌空街道；撤销艳粉街道，将其管辖的永合、永善、光学、光辉、红艳路、红昌、红盛、艳阳、艳华、艳粉街10个社区划入凌空街道，将大天地社区划入工人村街道；撤销贵和街道，将其管辖区域划入兴华街道；撤销保工街道，将其管辖区域划入兴顺街道；撤销西三环街道，将其管辖的七号街、军营、宁新3个社区及张士椿肜ッ骱值溃簟⒛佟⒛?个社区及宁官村划入翟家街道。
[72]截至2024年末，铁西区辖14个街道：昆明湖街道、工人村街道、启工街道、笃工街道、兴华街道、霁虹街道、凌空街道、重工街道、兴顺街道、翟家街道、大青中朝友谊街道、大潘街道、彰驿站街道、高花街道。
共135个社区，54个村。