大同區名來源于大同鎮名。原屬肇州縣管轄，1946年2月，設置第五區。1955年5月，改為大同區，1956年并村劃鄉撤銷區的建制，鄉、鎮由縣直轄。1959年11月，以“松基三井”所在地（今高臺子鎮永勝村）為中心，設立大慶區，隸屬肇州縣，管轄肇州縣所屬的群眾、新主、中心、聯合、大慶和肇源縣所屬的大官、興隆等7個公社。1960年5月，將大慶區劃歸安達市管轄，1964年2月更名為大同區。1965年5月，恢復安達縣，撤銷大同區，將原大同區所屬各公社全部劃歸安達縣管轄。

1978年4月16日，經省革委會批準，將安達縣所屬的大同鎮、高臺子、八井子、慶陽山、老山頭、葡萄花、興隆泉、祝三、大青山、雙榆樹等10個公社和紅旗林場、立志辦事處劃歸安達市管轄，同時復設大同區（1979年7月16日，省革委會正式批準），管轄原大同區管轄的公社。1979年12月，安達市更名為大慶市，隸屬大慶市管轄。

1992年末，大同區位于大同市境南部，東北與安達市接壤，東南與肇州縣毗鄰，西南與肇源縣分界，西北與杜爾伯特蒙古族自治縣相連。全區總面積2235平方千米。總人口22.4萬人，其中非農業人口5.05萬人。轄新華、高平、慶葡、八村、立志、林源等6個街道和10個鄉鎮。區政府駐地大同鎮。（以上摘自《黑龍江省志·地名錄》，有改動）

1996年，大同區面積2412平方千米，人口22.3萬人。轄4個街道、2個鎮、8個鄉：慶葡街道、新華街道、林源街道、立志街道、大同鎮、高臺子鎮、老山頭鄉、慶陽山鄉、祝三鄉、大青山鄉、興隆泉鄉、八井子鄉、雙榆樹鄉、葡萄花鄉。區政府駐大同鎮。

2000年第五次人口普查，大同區（轄3個街道、4個鎮、6個鄉）總人口233580人，其中：林源街道16865人，慶葡街道14102人，新華街道5078人，大同鎮34724人，高臺子鎮33926人，太陽升鎮13360人，林源鎮19181人，八井子鄉12732人，大青山鄉12339人，祝三鄉12141人，慶陽山鄉13141人，老山頭鄉20242人，雙榆樹鄉15706人，和平種畜場10043人。

2001年，撤銷慶陽山鄉，并入八井子鄉；撤銷大青山鄉，并入祝三鄉。將86個行政村調整為58個。2001年底，大同區面積2372平方千米。轄3個街道、4個鎮、4個鄉：慶葡、立志、新華3個街道，大同鎮、高臺子鎮、太陽升鎮、林源鎮，八井子鄉、祝三鄉、老山頭鄉、雙榆樹鄉。