東周以前，區(qū)境為荊州之域；春秋時期為楚國屬地；戰(zhàn)國時期為楚國黔中郡地；秦統(tǒng)一六國后，屬長沙郡地。西漢置益陽縣，屬長沙國。益陽因以縣治位于益水（今資水）之陽而得名。1940年，湖南行政區(qū)劃調(diào)整，第五區(qū)行政督察專員兼保安司令公署駐益陽縣城，此為區(qū)境地區(qū)一級行政建置之始。

1949年8月設(shè)立益陽專區(qū)，專署駐益陽縣，轄益陽、湘鄉(xiāng)、安化（駐東坪）、漢壽、寧鄉(xiāng)、沅江等6縣。1950年10月由益陽縣城區(qū)析置益陽市，益陽專署駐益陽市。1952年由益陽縣析置桃江縣，駐桃江鎮(zhèn)；由湘鄉(xiāng)縣析置雙峰縣，駐永豐鎮(zhèn)；由湘鄉(xiāng)、安化、邵陽3縣析置藍田縣（不久改名漣源縣），駐藍田鎮(zhèn)。

1952年11月，撤銷益陽專區(qū)，將益陽、沅江、安化、漢壽、桃江5縣劃歸常德專區(qū)；湘鄉(xiāng)、雙峰、漣源3縣劃歸邵陽專區(qū)；寧鄉(xiāng)縣劃歸湘潭專區(qū)。1962年12月復(fù)設(shè)益陽專區(qū)，專署駐益陽市桃花侖，將常德專區(qū)所屬益陽市及益陽（駐益陽市）、華容、沅江（駐瓊湖鎮(zhèn)）、南縣、安化（駐東坪鎮(zhèn)）、桃江（駐桃江鎮(zhèn)）6縣及湘潭專區(qū)所屬寧鄉(xiāng)縣劃入益陽專區(qū)；轄1市、7縣。1964年9月將華容縣和錢糧湖農(nóng)場劃歸岳陽專區(qū)管轄。

1970年益陽專區(qū)改稱益陽地區(qū)，地區(qū)駐益陽市。轄益陽市及益陽（駐益陽市）、南縣、沅江（駐瓊湖鎮(zhèn)）、寧鄉(xiāng)、安化（駐東坪鎮(zhèn)）、桃江等6縣。1983年7月，寧鄉(xiāng)縣劃歸長沙市。1984年劃益陽縣長春區(qū)歸益陽市。1988年10月11日，國務(wù)院批準(zhǔn)撤銷沅江縣，設(shè)立沅江市（縣級）。

1994年4月7日，國務(wù)院批復(fù)（國函[1994]17號）：（1）撤銷益陽地區(qū)、益陽市和益陽縣，設(shè)立益陽市（地級）。市人民政府駐新設(shè)的赫山區(qū)桃花侖。（2）益陽市新設(shè)資陽區(qū)和赫山區(qū)。資陽區(qū)轄原益陽市的汽車路、大碼頭、城內(nèi)、大水坪4個街道辦事處和新橋河、迎豐橋兩個鎮(zhèn)及長春、香鋪侖、李昌港、過鹿坪、楊林坳5個鄉(xiāng)，原益陽縣的沙頭鎮(zhèn)、茈湖口鎮(zhèn)、張家塞鄉(xiāng)，區(qū)人民政府駐原益陽市人民政府所在地大碼頭街道辦事處。赫山區(qū)轄原益陽市的黃泥湖、金花湖兩個鄉(xiāng)和桃花侖、會龍山兩個街道辦事處，原益陽縣的赫山、衡龍橋、滄水鋪、歐江岔、泉交河、蘭溪、八字哨、泥江口、新市渡、謝林港10個鎮(zhèn)和提卡子、岳家橋、大泉、樊家廟、白石塘、槐奇嶺、珠波塘、上湖、牌口、張家塘、羊舞嶺、羊角、石筍、筆架山、濘湖、爛泥湖、千家洲、天成垸、鄧石橋19個鄉(xiāng)，區(qū)人民政府駐原益陽縣人民政府所在地赫山鎮(zhèn)。（3）益陽市轄原衡水地區(qū)的南縣、桃江縣、安化縣和新設(shè)的資陽區(qū)、赫山區(qū)。原益陽地區(qū)的沅江市由省直轄。

1996年，益陽地區(qū)面積12144平方千米，人口約442.3萬人，市政府駐桃花侖，轄赫山、資陽2區(qū)及南縣、桃江、安化3縣，代管沅江市。大通湖、北洲子、金盆、千山紅、茶盤洲、大通湖漁場6個縣級農(nóng)（漁）場設(shè)境內(nèi)。

2000年第五次全國人口普查，益陽市總?cè)丝?309143人；其中：資陽區(qū)397767人，赫山區(qū)831114人，南縣703823人，桃江縣775444人，安化縣900759人，沅江市700236人。

2005年末，益陽市轄2個市轄區(qū)、3個縣，代管1個縣級市；全市共有9個街道、69個鎮(zhèn)、15個鄉(xiāng)、1個民族鄉(xiāng)。