區內有一突兀小山形似蝴蝶，蝶山區因而得名。秦始皇南取百越，置南海、桂林、象郡三郡，區地屬桂林郡（一說象郡）。漢初趙佗并桂林郡、象郡稱南越國，并封其宗弟趙光為蒼梧王、治廣信、區地屬廣信。漢元鼎六年（公元前111年），梧州屬交趾刺史部蒼梧郡、稱廣信縣、治蒼梧王城。區地位于王城西面，與王城隔桂江而相望。

隋開皇三年（583年）更廣信縣為蒼梧縣，今蝶山區屬蒼梧縣。唐武德四年（621年）置梧州，區地屬梧州。明代，梧州府與蒼梧縣府縣同駐城區。蒼梧縣城劃為華岳、善教、富德、寶倫、阜民等5廂，淳政、通泰、迎恩、水西、育真等5坊。水西訪即今蝶山區區域內。清代沿用明制，全縣劃為11坊1所11鄉。其中水西坊及富民坊均在今蝶山區范圍之內。

民國十六年（1927年）成立梧州市政府，為省轄市，以原蒼梧縣城區（今萬秀區轄境），三角嘴（今蝶山區轄境）及西江南岸火山至高旺一帶為在政區域。1932年，撤市復歸蒼梧縣、治梧州。1933年，全縣分梧州、戎城等7個區，梧州區轄8鎮7鄉，其中河濱鎮、富民鄉、龍華鄉大塘村一帶為今蝶山區屬地。1947年，撤銷區建制，梧州城內分為城東、城南、城中、城北、河濱等5鎮和鴛江鄉。

1949年11月25日梧州解放。1950年1月，在蝶山區轄境內，設立河濱鎮公所。1953年5月，撤銷河濱鎮公所，其所管轄的地段范圍劃歸第二區人民政府。1955年8月，撤銷第二區人民政府，原河濱鎮所轄的大部分地段劃為角嘴街道辦事處。1958年9月，角嘴街道辦事處改稱河西區公所。1960年4月，撤銷河西區公所，成立蝶山人民公社。1961年11月，在蝶山人民公社的基礎上成立區公所（1962年8月前稱河西區公所，之后稱蝶山區公所）。1962年8月，實行政社合一。1968年9月，蝶山人民公社改稱梧州市向陽人民公社革命委員會。1979年2月，城區人民公社改建為市轄區，向陽人民公社革命委員會改稱梧州市蝶山區革命委員會。1980年8月改蝶山區人民政府。

1996年，蝶山區面積72平方千米，人口約11.5萬人。轄4個街道：角嘴街道、東興街道、富民街道、大塘街道。區政府駐角嘴后路。2000年第五次人口普查，蝶山區總人口186594人。其中：角嘴街道31481人，東興街道64403人，富民街道54501人，大塘街道36209人。2002年9月，蝶山區轄角嘴、東興、富民、大塘4個街道，29個社區，總面積11.30平方千米，45887戶，140079人。

2003年1月2日，國務院（國函[2003]1號）批準同意調整梧州市市轄區和蒼梧縣行政區劃，其中：將蝶山區的新興二路居委會、龍山里居委會、西堤三路第一居委會、西堤三路第二居委會劃歸長洲區管轄。將萬秀區塘源居委會、原郊區龍湖鎮的高旺、新民、旺步、塘源4個村和蒼梧縣夏郢鎮劃歸蝶山區管轄。蝶山區人民政府駐角嘴后路。2月，調整梧州市轄區劃，將蒼梧縣的夏郢鎮及郊區龍湖鎮的高旺、新民、旺步、塘源4個村和萬秀區塘源居委會劃歸蝶山區管轄（注：原郊區龍湖鎮新民村的第1、第2組劃歸萬秀區城東鎮管轄）。至此，蝶山區總面積312.54平方千米，下轄3個街道、2個鎮，50個居（村）委會，總人口增至20.20萬人，其中非農業人口15.70萬人。

2003年蝶山區行政區劃（根據當年廣西行政區劃代碼整理）
　　001　角嘴街道　轄珠山、新興、新華、奧奇麗、高旺、潘塘、塘源7個社區。
　　002　東興街道　轄上沖、下沖、龍骨、步埠、上三云、下三云、蝶彩、西環8個社區。
　　003　富民街道　轄傍山、大學、棗沖、富民、東山、富新、富和、蓮花8個社區。
　　101　龍湖鎮　轄新民、高旺、旺步、塘源4個行政村。
　　102　夏郢鎮　轄夏郢社區；思委、思安、北勝、平安、雙垌、民智、毓秀、周睦、高才、泗馬、竹坡、里秀、夏郢、富教、新夏、鳳凰、鎮安、答涓、保安、儒巖、德安、旺坡22個行政村。