因西鄰頭屯河而得名。解放前屬烏魯木齊縣。這里只有幾戶人家，基本上是戈壁荒原。1938年蘇聯在此幫助建立一座小型農機修造廠。1949年新疆和平解放后，王震同志率領駐疆部隊在頭屯河建起新疆八一鋼鐵廠。隨著地區工業的發展和人口的增長，1956年7月烏魯木齊市在此設立頭屯河鎮。1961年4月將頭屯河鎮改為頭屯河區（一說，1961年頭屯河區與“鋼城公社”合署辦公。1967年更名頭屯河區）。

1996年，頭屯河區轄4個街道：頭屯河街道、火車西站街道、王家溝街道、烏昌路街道。

2000年第五次人口普查，頭屯河區常住總人口130146人，其中：頭屯河街道51660人、火車西站街道32086人、王家溝街道2638人、烏昌路街道5105人、兵團三坪農場13071人、兵團五一農場10855人、兵團頭屯河農場14731人。

2003年底，頭屯河區總面積275.59平方千米，總人口124339人。轄5個街道，38個居委會、1個行政村：頭屯河街道、火車西站街道、王家溝街道、烏昌路街道、北站西路街道；河南莊村。區政府駐北站公路10號。

2004年底，頭屯河區轄5個街道：頭屯河街道、火車西站街道、王家溝街道、烏昌路街道、北站西路街道；河南莊村，27個居委會、1個行政村。

2010年第六次人口普查，頭屯河區常住總人口172796人，其中：頭屯河街道55552人，火車西站街道37472人，王家溝街道9967人，烏昌路街道5861人，北站西路街道7167人，頭屯河區鄉類似鄉鎮單位8343人，兵團十二師三坪農場11798人，兵團十二師五一農場12106人，新疆兵團十二師頭屯河農場24530人。