1905年，建成中東鐵路火車站。建站當時，這里尚未形成村落，因車站北有新城堡村，西南有九里溝子村，所以就取“新城堡”前兩個字和“九里溝子”后一個字，起名新城子站。形成村鎮后，一直沿用“新城子”這個名稱。

1948年11月20日，設立新城子、財落堡和蒲河三個區，屬沈陽市郊辦事處。1951年12月，市郊辦事處改劃為4個中心區，成立新城子中心區。1954年3月，撤銷市郊辦事處，成立東、西、南、北四個郊區，新城子中心區改為北郊區。1956年劃歸沈陽縣管，改為區公所。1959年12月，撤銷沈陽縣建制，其轄區分別劃入沈陽市各區，同時成立新城子區。1966年8月，新城子區更名永紅區。1968年，恢復新城子區名稱。2006年10月，更名為沈北新區。

1996年，新城子區面積849平方千米，人口約29.9萬人。轄2個街道、5個鎮、7個鄉：新城子街道、清水臺街道、道義鎮、虎石臺鎮、蒲河鎮、清水臺鎮、興隆臺錫伯族鎮、新城子鄉、黃家錫伯族鄉、石佛寺朝鮮族錫伯族鄉、尹家鄉、財落堡鄉、望賓鄉、馬剛鄉。區政府駐新城子街道。

1998年，省政府（遼政[1998]61號）批復同意撤銷財落堡鄉，設立財落鎮。

2000年第五次人口普查，新城子區常住總人口304230人，其中：新城子街道41335人、清水臺街道17195人、財落鎮19730人、道義鎮23950人、虎石臺鎮65630人、蒲河鎮14928人、清水臺鎮18817人、興隆臺錫泊族鎮12513人、新城子鄉31173人、黃家錫伯族鄉18080人、石佛寺朝鮮族錫伯族鄉11015人、尹家鄉13760人、馬剛鄉10530人、望濱鄉5574人。

2002年6月，新城子區轄2個街道、6個鎮、6個鄉（其中2個民族鄉），26個社區、211個行政村，面積851.54平方千米，人口約29.61萬人，區政府駐新城子街道中央路64號。

2002年12月13日，省政府（遼政[2002]323號）批復同意：1.撤銷望濱鄉，調整馬剛鄉行政區域。將原望濱鄉所轄的曾子溝、章子溝、黑林子、合心、房身溝、山城子6個村（區域面積25.85平方千米）劃入馬剛鄉。區劃調整后，馬剛鄉政府駐地（柳條河村）不變，區域面積103.5平方千米，轄19個村委會。2.調整蒲河鎮行政區域。將原望濱鄉所轄的望濱、南三家子、東四家子、閆家、古砬子、灣溝6個村（區域面積25.12平方千米）劃入蒲河鎮。區域調整后，蒲河鎮政府駐地（蒲河村）不變，區域面積81.09平方千米，轄26個村委會。至此，新城子區轄2個街道、6個鎮、3個鄉、2個民族鄉：新城子街道、清水臺街道、道義鎮、虎石臺鎮、清水臺鎮、蒲河鎮、興隆臺錫伯族鎮、財落鎮、尹家鄉、新城子鄉、馬剛鄉、黃家錫伯族鄉、石佛寺朝鮮族錫伯族鄉，以及青年農場、前進農場、育新農場。

2006年3月，沈陽市政府批準：新城子區和沈陽輝山農業高新技術開發區合署辦公，設立沈北新區。東陵區輝山街道（即沈陽輝山農業高新技術開發區）在建制上劃歸沈北新區管轄；蒲河鎮和馬剛鄉部分行政區域（即原新城子區望濱鄉和蒲河鎮的蓮花、新屯、馬莊子3個村），東陵區高坎鎮、滿堂滿族鄉和英達街道部分區域為沈陽棋盤山國際風景旅游開發區管理區域，其中東陵區高坎鎮和滿堂滿族鄉在建制上由沈陽棋盤山國際風景旅游開發區代管。2006年10月8日，民政部（民函[2006]300號）批復同意將沈陽市新城子區更名為沈北新區。

2007年1月19日，省政府（遼政[2007]18號）批復同意：撤銷財落鎮、道義鎮，保留財落街道、道義街道；撤銷虎石臺鎮、蒲河鎮，設立虎石臺街道、蒲河街道。12月24日，市政府（沈政[2007]261號）批復同意撤銷輝山街道和蒲河街道，合并設立輝山街道。12月26日，省政府（遼政[2007]236號）批復同意設立望濱街道，轄原蒲河街道望濱村、南三家子村、閆家村、東四家子村、古砬子村、灣溝村，原馬剛鄉章子溝村、曾子溝村、黑林子村、合心村、山城子村、房身溝村、邱家溝村（注：望濱街道辦事處由沈陽棋盤山國際風景旅游開發區代管）。

2010年第六次人口普查，沈北新區常住總人口423323人，其中：新城子街道59666人，清水臺街道14969人，輝山街道36313人，道義街道93765人，蒲河街道9727人，虎石臺街道88563人，財落街道16067人，望濱街道6045人，興隆臺錫伯族鎮10505人，清水臺鎮16602人，新城子鄉26421人，黃家錫伯族鄉12467人，石佛寺朝鮮族錫伯族鄉9484人，尹家鄉11714人，馬剛鄉9001人，青年農場400人，前進農場1487人，育新農場5人，沈北新區馬剛林場28人，沈北新區示范農場38人，沈北新區種畜56人。

2010年，省政府批復同意：撤銷新城子鄉、馬剛鄉、石佛寺朝鮮族錫伯族鄉、黃家錫伯族鄉、尹家鄉、興隆臺錫伯族鎮和清水臺鎮，分別設立沈北街道、馬剛街道、石佛寺街道、黃家街道、尹家街道、興隆臺街道和清泉街道（12月29日市民政局公告）。至此，全區轄14個街道：新城子街道、清水臺街道、輝山街道、道義街道、虎石臺街道、財落街道、望濱街道、興隆臺街道、清水臺街道、沈北街道、黃家街道、石佛寺街道、尹家街道、馬剛街道。其中，輝山街道、道義街道、虎石臺街道由蒲河新城代管，望濱街道由沈陽棋盤山國際風景旅游開發區代管。區政府駐新城子街道中央路64號。

2014年?，沈北新區政府遷至輝山街道。