因“迪化”為“啟迪教化”之意，有大民族主義色彩，1953年根據政務院關于更改具有歧視少數民族含義的地名的決定，恢復舊名，改為烏魯木齊市。“烏魯木齊”，準噶爾蒙古語意為“優美的牧場”（也有認為此說系訛誤；一說，系古代和田塞語，意為“柳樹林”；另一說系源自“烏—壘（輪）—臺”，即唐代的“輪臺”一名）。舊為厄魯特蒙古的游牧地。
烏魯木齊尚未建成之前，是一片優美的牧場，漢代西域都護府開始派兵在此屯田，隋代始有“互市”活動。公元640年，唐朝政府在天山北麓設置庭州，轄4縣，今烏魯木齊為輪臺縣（現烏魯木齊市東南郊烏拉泊水庫南側的古城遺址，即為當時輪臺縣）。從663年開始，唐朝政府派軍至烏魯木齊河畔屯墾。702年，在庭州設北庭都護府，輪臺駐軍增加。清朝初年，舊城毀于戰火。乾隆二十年（1755年），清政府平定準噶爾貴族叛亂后，在現烏魯木齊九家灣明故城筑壘駐兵，并將此地正式定名烏魯木齊。乾隆二十三年（1758年）在今南門外修筑一座土城，此為烏魯木齊城池的雛形；乾隆二十五年（1760年）烏魯木齊設同知。乾隆二十八年（1763年），將舊土城向北擴展，達到周長五里四分；竣工時，乾隆命名曰“迪化”。乾隆三十七年（1772年），距迪化城西八里筑“鞏寧城”（即老滿城），駐滿營官兵。三十八年（1773年）設迪化直隸州，亦稱滿城。同治三年（1864年）鞏寧城毀于戰火。光緒六年（1880年）在迪化城東筑“新滿城”，原迪化城由民商居住，俗稱“漢城”。
光緒十年（1884年），清廷決定設立新疆省，定迪化為省會。從此迪化成為新疆的政治中心。民國29年（1940年）成立迪化市政府委員會。民國34年（1945年）11月1日，迪化正式設市并成立市政府。1949年9月25日，新疆和平解放。12月17日，迪化市人民政府成立。重新劃分建立7個區，54個街公所。在郊區建立農民協會，并在土地改革的基礎上成立3個鄉，至此，城鄉各級人民政府初步建立。1953年11月20日政務院批準迪化市更名為烏魯木齊市，1954年2月1日正式更名。
1999年8月10日，國務院批準將烏魯木齊市南山礦區更名為南泉區。2000年第五次人口普查，烏魯木齊市常住總人口2081834人；其中：天山區471432人、沙依巴克區482235人、新市區379220人、水磨溝區180654人、頭屯河區130146人、南泉區8815人、東山區100796人、烏魯木齊縣328536人。2001年，將全市原有的689個居（家）委會重新調整劃定為441個社區。
2002年3月9日，國務院（國函[2002]20號）批準調整烏魯木齊市南泉區行政區劃：（1）將烏魯木齊市天山區的烏拉泊街道和烏魯木齊縣的達坂城鎮、東溝鄉、西溝鄉、阿克蘇鄉、柴窩堡鄉歸烏魯木齊市南泉區管轄。（2）南泉區更名為烏魯木齊市達坂城區，區政府駐地由魚爾溝遷至達坂城鎮。
2003年末，烏魯木齊市總面積10900.77平方千米，總人口1815296人，轄7個市轄區、1個縣，54個街道、3個鎮、16個鄉，466個居委會、110個村委會。2004年末，烏魯木齊市轄7個市轄區、1個縣，54個街道、3個鎮、16個鄉，468個居委會、97個村委會。
2007年，《自治區人民政府關于調整昌吉回族自治州與烏魯木齊市行政區劃的通知》：根據《國務院關于同意新疆維吾爾自治區調整昌吉回族自治州與烏魯木齊市行政區劃的批復》精神，將昌吉回族自治州米泉市并入烏魯木齊市，撤銷米泉市和烏魯木齊市東山區，設立烏魯木齊市米東區。行政區劃調整以后，烏魯木齊市行政區域面積由10900.77平方公里增加到14216.3平方公里。10月，烏魯木齊市政府決定將原東山區蘆草溝鄉的葛家溝村、石仁子溝村和澇壩溝村整建制劃歸水磨溝區管轄；水磨溝區面積增加186平方公里。
2008年10月，《新疆維吾爾自治區政府關于調整烏魯木齊市達坂城區與吐魯番地區托克遜縣行政區域界線的通知》（新政發[2008]72號）同意將烏魯木齊市達坂城區的魚兒溝街道、星火街道428.4平方公里劃歸吐魯番地區托克遜縣管理，艾維爾溝街道260.6平方公里仍由達坂城區管理。【2009年6月30日，烏魯木齊市達坂城區與托克遜縣關于調整行政區域界線的協議在烏魯木齊市簽訂。按照協議，將烏魯木齊市達坂城區原南山礦區艾維爾溝689平方公里區域內的428.4平方公里劃歸吐魯番地區托克遜縣管理，新疆焦煤集團4個煤炭礦區和生活區及其以西、以南部分地區的260.6平方公里由達坂城區管理】
2010年第六次人口普查，烏魯木齊市常住總人口3112559人，其中：天山區696277人，沙依巴克區664716人，新市區730307人，水磨溝區390943人，頭屯河區172796人，達坂城區40657人，米東區333676人，烏魯木齊縣83187人。
2011年3月2日，烏魯木齊市政府（烏政辦[2011]40號）通知：自治區政府已同意將烏魯木齊縣青格達湖鄉、六十戶鄉和安寧渠鎮的行政區域劃歸高新技術產業開發區（新市區）管轄。調整后新市區轄區總面積263平方公里，人口55.6萬人，轄11個街道辦事處、4個鄉、1個鎮、24個村、84個社區。調整后烏魯木齊縣轄區總面積4212平方公里，人口5.5萬人，轄1個鎮、5個鄉、40個村。調整后，現烏魯木齊縣與頭屯河區（北部）的行政區域界線變為新市區與頭屯河區的行政區域界線，現烏魯木齊縣與米東區的行政區域界線變為新市區與米東區的行政區域界線。