戰(zhàn)國(guó)時(shí)期屬趙國(guó)。西漢時(shí)為桃縣地，史稱桃城，屬信都國(guó)。東漢改屬樂城國(guó)，三國(guó)時(shí)屬冀州。隋開皇十六年（596）始置衡水縣。，屬冀州。大業(yè)三年罷州，屬信都郡。唐、宋、遼、金時(shí)屬冀州。元中統(tǒng)二年改屬深州。清初屬正定府，雍正二年改屬冀州。1913年屬直隸冀南道，次年改屬大名道，1928年廢道直屬河北省。1937年屬河北省第九督察區(qū)。抗日戰(zhàn)爭(zhēng)和解放戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期屬冀南行署管轄。
1947年設(shè)衡水市，次年撤銷。1949年初屬衡水專區(qū)。1952年改屬石家莊專區(qū)。1962年復(fù)屬衡水專區(qū)。1982年1月，經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)，以衡水城關(guān)鎮(zhèn)的行政區(qū)域?yàn)榛A(chǔ)設(shè)立衡水市，屬衡水地區(qū)行署管轄。1983年3月，撤銷衡水縣，其行政區(qū)域劃歸衡水市。1996年7月，衡水地區(qū)行署改建為衡水市，原縣級(jí)衡水市改為桃城區(qū)。
1996年，桃城區(qū)面積590平方千米，人口約38.6萬人。轄3個(gè)街道、2個(gè)鎮(zhèn)、4個(gè)鄉(xiāng)：河西街道、河?xùn)|街道、路北街道、趙家圈鎮(zhèn)、鄭家河沿鎮(zhèn)、大麻森鄉(xiāng)、鄧家莊鄉(xiāng)、彭杜村鄉(xiāng)、何家莊鄉(xiāng)。區(qū)政府駐人民路。
2000年第五次人口普查，桃城區(qū)常住總?cè)丝?22761人，其中：河西街道126656人，河?xùn)|街道51097人，路北街道30165人，鄭家河沿鎮(zhèn)40462人，趙家圈鎮(zhèn)39627人，何家莊鄉(xiāng)32002人，大麻森鄉(xiāng)34728人，鄧家莊鄉(xiāng)28326人，彭杜村鄉(xiāng)34389人，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)5309人。
2002年，桃城區(qū)面積591.6平方千米，人口約42.54萬人。轄4個(gè)街道、2個(gè)鎮(zhèn)、4個(gè)鄉(xiāng)：河西街道、河?xùn)|街道、路北街道、中華（大街）街道、鄭家河沿鎮(zhèn)、趙圈鎮(zhèn)、何家莊鄉(xiāng)、大麻森鄉(xiāng)、鄧家莊鄉(xiāng)、彭杜村鄉(xiāng)。共有42個(gè)社區(qū)、354個(gè)村委會(huì)。區(qū)政府駐人民中路568號(hào)。
2010年第六次人口普查，桃城區(qū)常住總?cè)丝?22147人，其中：河西街道72011人，河?xùn)|街道56215人，路北街道50407人，中華（大街）街道113905人，鄭家河沿鎮(zhèn)39166人，趙家圈鎮(zhèn)33576人，何家莊鄉(xiāng)26467人，大麻森鄉(xiāng)26756人，鄧家莊鄉(xiāng)26081人，彭杜村鄉(xiāng)31060人，衡水高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)40310人，衡水湖自然保護(hù)區(qū)管理處6193人。
2013年，撤銷鄧家莊鄉(xiāng)，設(shè)立鄧莊鎮(zhèn)（冀民函[2013]16號(hào)）。調(diào)整后，全區(qū)轄4個(gè)街道、3個(gè)鎮(zhèn)、3個(gè)鄉(xiāng)：河西街道、河?xùn)|街道、路北街道、中華大街街道、鄭家河沿鎮(zhèn)、趙圈鎮(zhèn)、鄧莊鎮(zhèn)、何家莊鄉(xiāng)、彭杜村鄉(xiāng)、大麻森鄉(xiāng)。