蔡甸區，漢屬荊州江夏郡，先分屬安陸、沙羨縣；建武元年置沌陽縣，三國時改為石陽縣，晉武帝太康元年改石陽為曲陽，惠帝永興二年改曲陽為曲陵。隋開皇十七年（597年），改稱漢津縣；大業二年（606年），改漢津為漢陽縣。

1949年5月屬沔陽專區。1950年漢陽城區并入武漢市，縣治移入蔡甸。1951年改屬孝感專區，1960年歸武漢市，1961年又屬孝感專區，1975年再歸武漢市。1992年9月12日，經國務院批準撤銷漢陽縣，設立武漢市蔡甸區。

1994年4月，撤銷高廟鄉，并入蔡甸鎮。1995年4月，撤銷蔡甸鎮，設立蔡甸街道；撤銷新農鎮，設立新農街道；撤銷郭徐嶺鄉，設立沌陽街道；撤銷沌口鎮，設立沌口街道。1996年，武漢市政府決定將蔡甸區的沌口、沌陽兩個街道委托武漢經濟技術開發區管理。

1996年，蔡甸區面積1105.6平方千米，人口約51.3萬人。轄4街道11鎮4鄉：蔡甸街道、新農街道、沌陽街道、沌口街道、侏儒鎮、黃陵鎮、奓山鎮、永安鎮、玉賢鎮、軍山鎮、索河鎮、張灣鎮、柏林鎮、常福鎮、大集鎮、成功鄉、消泗鄉、曲口鄉、洪北鄉。區府駐蔡甸街。境內有1個農場。

2000年6月，撤銷奓山鎮，設立奓山街道；撤銷永安鎮，設立永安街道；撤銷侏儒鎮，設立侏儒街道；撤銷大集鎮，設立大集街道；撤銷張灣鎮，設立張灣街道。調整后，蔡甸區轄9個街道、6個鎮、4個鄉。

2000年第五次人口普查，蔡甸區總人口512444人，其中：蔡甸街道97773人，新農街道36729人，奓山街道34898人，永安街道30201人，侏儒街道46553人，大集街道28080人，張灣街道20468人，沌陽街道45349人，沌口街道13078人，柏林鎮15582人，索河鎮25767人，玉賢鎮17825人，黃陵鎮13963人，常福鎮19786人，軍山鎮12043人，成功鄉12906人，消泗鄉13401人，洪北鄉4939人，曲口鄉3282人，神龍9350人，紙廠7440人，桐湖農場3031人。

2001年5月，撤銷新農街道，并入蔡甸街道；撤銷沌陽街道，并入沌口街道；撤銷柏林鎮，并入張灣街道（駐柏林莊）；撤銷常福鎮，并入奓山街道；撤銷黃陵鎮，并入軍山鎮（駐黃陵磯）；撤銷成功鄉、洪北鄉，并入侏儒街道；撤銷曲口鄉，并入消泗鄉。

2003年9月，桐湖農場改為桐湖辦事處。2004年4月12日，市民政局發文批復：經市政府同意，報省政府批準，同意撤銷軍山鎮，設立軍山街道（2006年，武漢市政府決定將蔡甸區的軍山街道委托武漢經濟技術開發區管理。）。

2004年末，蔡甸區面積1100.81平方千米，總人口480503人（根據湖北地名網，不包括沌口街道）。轄蔡甸、奓山、永安、侏儒、大集、張灣、沌口、軍山8個街道，索河、玉賢2個鎮和消泗1個鄉，共有44個居委會、332個行政村（包括沌口街道數據）。蔡甸街道人口149167人，面積74.44平方千米，轄29居42村；張灣街道人口37724人，面積71.42平方千米，轄2居31村；侏儒街道人口72611人，面積178.55平方千米，轄3居50村；永安街道人口33463人，面積69.07平方千米，轄1居21村；奓山街道人口58378人，面積102.04平方千米，轄2居48村；大集街道人口31246人，面積57.79平方千米，轄1居34村；軍山街道人口24272人，面積82.91平方千米，轄2居21村；索河鎮人口30143人，面積49.77平方千米，轄1居26村；玉賢鎮人口19991人，面積49.85平方千米，轄1居17村；消泗鄉人口20157人，面積80.81平方千米，轄12村；桐湖農場人口3351人，面積30.59平方千米，轄5村；國有獨立權屬單位面積246.55平方千米；沌口街道面積77.20平方千米，轄2居30村。

2010年第六次人口普查，蔡甸區常住總人口618994人，其中：蔡甸街道146138人，奓山街道46008人，永安街道26989人，侏儒街道47326人，大集街道29532人，張灣街道28674人，沌口街道181575人，軍山街道26531人，索河鎮21544人，玉賢鎮15417人，消泗鄉13251人，桐湖辦事處2314人，洪北管委會3585人；（蔡甸經濟開發區）沌口辦事處13139人，常福辦事處6966人，文嶺辦事處827人，姚家山辦事處9178人。

2011年末，全區總面積1093.17平方千米，戶籍總人口444531人，其中非農業人口122381人。轄6個街道、2個鎮、1個鄉，28個社區、283個行政村。（武漢年鑒2012數據）

2012年12月20日，將沌口街道調整設立為沌口、沌陽兩個街道（武民政[2012]187號文件批復）。

2014年8月19日，市民政局（武民政[2014]53號）批復同意將侏儒街道更名為侏儒山街道。