以境內神農架山得名。神農架因華夏始祖炎帝神農氏在此架木為梯，采嘗百草，救民疾夭，教民稼穡而得名。1959年設開發神農架指揮部，由興山縣、房縣分頭進軍筑路，于1966年會合通車。

1970年5月28日，國務院批準設立神農架林區，以房縣的盤水、上龕、九道3個區（15個公社、72個大隊、311個生產隊），和保康、興山、巴東等縣各一部分地區【本站注：共24個公社、2個藥材場、1個農場】為其行政區域，駐木魚坪。

1971年改屬宜昌地區，1972年3月屬省直轄。1976年5月屬鄖陽地區。1983年8月19日，國務院批準將鄖陽地區的神農架林區（縣級）由湖北省直接領導。1985年，巴東縣代管的下谷坪、石磨、板橋河3個鄉正式移交神農架林區。

1996年，神農架林區面積3253平方千米，人口約7.9萬人。轄3個鎮、12個鄉：松柏鎮、陽日鎮、木魚鎮、新華鄉、長坊鄉、宋洛鄉、盤水鄉、官封鄉、田家山鄉、紅舉鄉、板倉鄉、東溪鄉、九湖鄉、紅花鄉、下谷坪土家族鄉。區政府駐松柏鎮。

2000年第五次人口普查，神農架林區總人口78242人，其中（5個鎮、8個鄉）：松柏鎮25407人，陽日鎮11493人，木魚鎮5174人，紅花鎮5714人，紅坪鎮2239人，新華鄉4053人，宋洛鄉8171人，官封鄉1644人，紅舉鄉1668人，板倉鄉1322人，東溪鄉2374人，大九湖鄉2383人，下谷坪土家族鄉6600人。

2004年末，神農架林區面積3253平方千米，人口7.87萬人。轄松柏、陽日、木魚、紅坪4鎮和新華、宋洛、九湖、下谷坪4鄉。共有7個居委會、71個行政村。

2005年末，神農架林區轄松柏、陽日、木魚、紅坪4鎮和新華、宋洛、九湖、下谷坪4鄉。共有8個居委會、65個行政村。

2009年，撤銷新華鄉，設立新華鎮，以原新華鄉的行政區域為新華鎮的行政區域，鎮政府駐樟樹坪。2009年末，神農架林區總面積3215.83平方千米，總人口80321人。轄5個鎮、3個鄉：松柏鎮、陽日鎮、紅坪鎮、木魚鎮、新華鎮、宋洛鄉、九湖鄉、下谷平土家族鄉，共有68個行政村、9個居委會，328個村民小組。

2010年第六次人口普查，神農架林區常住總人口76140人，其中：松柏鎮31207人，陽日鎮10085人，木魚鎮9089人，紅坪鎮5901人，新華鎮3688人，宋洛鄉6609人，九湖鄉3657人，下谷坪土家族鄉5904人。

神農架林區現轄6個鎮、2個鄉：松柏鎮、陽日鎮、紅坪鎮、木魚鎮、新華鎮、九湖鎮、宋洛鄉、下谷平土家族鄉。