因境內有天臺山、園藝場，取“園”之諧音“元”，合名為天元。解放初，轄區(qū)分屬湘潭縣藕花鄉(xiāng)、藕靈鄉(xiāng)。1959年劃屬株洲市郊區(qū)，1965年劃歸株洲縣；1966年園藝場復劃入株洲市郊區(qū)。1992年2月經(jīng)湖南省人民政府批準，于園藝場轄區(qū)范圍成立株洲高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū)，同年12月經(jīng)國務院批準為國家級開發(fā)區(qū)。

1997年5月31日，國務院批準（國函[1997]40號）：設立天元區(qū)，轄原株洲縣的群豐鎮(zhèn)、馬家河鄉(xiāng)和原郊區(qū)的園藝場。區(qū)人民政府駐黃河北路。同年7月，湖南省人民政府批復同意調整株洲市市轄區(qū)行政區(qū)劃：天元區(qū)東、北以湘江河為界，南以群豐鎮(zhèn)與雷打石鎮(zhèn)界線為界，西以株洲市與湘潭市界線為界。

2000年，馬家河撤鄉(xiāng)設鎮(zhèn)。調整后，天元區(qū)轄2個街道、2個鎮(zhèn)。同年經(jīng)市政府批準將天元區(qū)和株洲國家高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū)實行職能歸并、效能整合，組成株洲河西新區(qū)。

2000年第五次人口普查，全區(qū)總人口120741人，其中：嵩山路街道31001人、泰山路街道40830人、馬家河鎮(zhèn)27411人、群豐鎮(zhèn)21499人。

2005年4月27日，株洲市人民政府（株政辦發(fā)[2005]11號）轉發(fā)省民政廳湘民行發(fā)[2005]10號文件批復：同意將天元區(qū)馬家河鎮(zhèn)的鑿石、南塘、王家坪、栗雨4個建制村和王家坪社區(qū)劃入泰山路街道辦事處。行政區(qū)劃調整后，馬家河鎮(zhèn)轄1個社區(qū)、11個建制村，總面積51.86平方千米，總人口1.86萬人，鎮(zhèn)人民政府駐地不變；泰山路街道辦事處轄15個居委會、8個建制村，總面積28.34平方千米，總人口5.34萬人，辦事處駐地不變。同年，天元區(qū)增加1個街道辦事處，調整1個鎮(zhèn)、1個街道辦事處的部分行政區(qū)域：增設栗雨街道辦事處；調整馬家河鎮(zhèn)、泰山路街道辦事處的部分行政區(qū)域。具體調整如下：馬家河鎮(zhèn)4個建制村和1個社區(qū)劃入泰山路街道辦事處；設立栗雨街道辦事處（辦事處機關駐栗雨工業(yè)園）。2005年末，天元區(qū)轄3個街道、2個鎮(zhèn)。

2011年，將株洲縣的雷打石鎮(zhèn)和三門鎮(zhèn)劃歸天元區(qū)管轄（湘民行發(fā)[2011]6號）。行政區(qū)劃調整后，天元區(qū)總面積327.6平方千米，總人口24.6萬人，轄3個街道、4個鎮(zhèn)：嵩山路街道、泰山路街道、栗雨街道、馬家河鎮(zhèn)、群豐鎮(zhèn)、雷打石鎮(zhèn)、三門鎮(zhèn)，區(qū)政府駐地不變。