汉朝设立西域都护，今头屯河辖区一带正式纳入汉朝版图。
西魏废帝元年（552），突厥击灭柔然，突厥汗国建立，今乌鲁木齐一带尽归其统辖。
唐武宗会昌年间（841-846），回鹘大规模西迁，其中一支至北庭、西州一带，史称“高昌回鹘”，今区境受其管辖。
1755年，清定西将军永常率兵至乌鲁木齐屯驻，今头屯河一带归清朝直接管辖。
清政府在此设头屯所堡，驻军屯田。
1886年迪化州升为迪化府，增设迪化县，设置农官、乡约管理村庄，今头屯河区一带属迪化县管辖。
1956年7月，市人民委员会决定设立头屯河镇，直属乌鲁木齐市管辖。
1961年4月，头屯河镇升格为县级头屯河区，1981年10月，又改称为头屯河区人民政府。