虹口得名于虹口港，歷史悠久，康熙年間《上海縣志》上就有虹口之名。清代，分屬寶山縣、上海縣。道光二十八年（1848）后，南境被辟為美租界（后與英租界合稱公共租界）。民國34年（1945年）置虹口區，因區片名虹口得名。1949年分別在虹口、四川北路和提籃橋3區設接管委員會，1950年3區分別成立區政府。1956年四川北路區并入虹口區，1960年提籃橋區并入虹口區。

1979年7月，楊浦區玉田新村和寶山縣江灣公社工農大隊地域劃入虹口區。1980年1月新建曲陽路街道。1984年9月劃入寶山縣江灣鎮及大八寺（今大柏樹）一帶地區。1985年7月新建大八寺街道（后稱運光新村街道）。1987年11月新建涼城新村街道。至此，全區轄16個街道、1個鎮。

1991年5月，乍浦路、吳淞路2個街道合并為乍浦路街道；橫浜橋、長春路2個街道合并為四川北路街道，并將廣中街道的虹口體育場和虹口游泳池劃入四川北路街道；東長治路、海門路2個街道合并為提籃橋街道。1993年12月，曲陽新村、運光新村2個街道合并為曲陽路街道。至此，全區轄虹鎮、同心路、唐山路、嘉興路、新港路、廣中路、曲陽路、四川北路、乍浦路、涼城新村、提籃橋、歐陽路12個街道和江灣鎮。

1994年末，全區轄12個街道、1個鎮，347個居委會。1995年末，全區轄12個街道、1個鎮，349個居委會。1996年7月，撤銷嘉興路、虹鎮2個街道，設立新的嘉興路街道；撤銷新港路、唐山路2個街道，設立新的新港路街道；撤銷廣中路、同心路2個街道，設立新的廣中路街道。1996年末，全區轄9個街道、1個鎮，348個居委會。1997年末，全區轄9個街道、1個鎮，268個居委會。1998年末，全區轄9個街道、1個鎮，264個居委會。1999年末，全區轄9個街道、1個鎮，266個居委會。

2000年第五次人口普查，虹口區總人口860726人。其中：四川北路街道74097人、乍浦路街道63799人、提籃橋街道91568人、新港路街道101004人、歐陽路街道74442人、曲陽路街道103014人、廣中路街道112639人、嘉興路街道64301人、涼城新村街道80162人、江灣鎮95700人。

2000年末，全區轄9個街道、1個鎮，271個居委會。2001年末，全區轄9個街道、1個鎮，249個居委會。2002年末，全區轄9個街道、1個鎮，252個居委會。2003年末，虹口區轄9個街道、1個鎮，255個居委會，人口79.20萬人。2004年區政府駐地由海南路10號遷指虹鎮老街（飛虹路518號）。

2004年6月，虹口區對8個街道、鎮所管轄的11個居委會作調整：歐陽路街道的歐一居委會，嘉興路街道的寶安居委會劃歸四川北路街道管轄；江灣鎮的勝利、鎮西二、奎照3個居委會劃歸涼城新村街道管轄；歐陽路街道歐五居委會管轄的252戶居民（華敏公寓）和廣中路街道的模一、模二居委會管轄的507戶居民及上海外國語大學居民劃歸曲陽路街道管轄；廣中路街道的模一、模二居委會劃歸歐陽路街道管轄；歐陽路街道的海歐、新陸居委會和新港路街道的飄鷹居委會管轄的金鑫怡苑中部分居民劃歸嘉興路街道管轄。

2004年末，全區轄9個街道、1個鎮，255個居委會。2005年末，虹口區轄9個街道、1個鎮：四川北路街道、提籃橋街道、新港路街道、乍浦路街道、歐陽路街道、廣中路街道、涼城新村街道、嘉興路街道、曲陽路街道、江灣鎮，共有250個居委會。

2006年7月20日，上海市政府《關于同意撤銷虹口區江灣鎮建制設立江灣鎮街道辦事處的批復》（以滬府[2006]78號），同意撤銷虹囗區江灣鎮鎮建制，設立江灣鎮街道辦事處，其行政管轄范圍為原江灣鎮行政區域范圍，面積約4.2平方千米。江灣鎮街道辦事處駐豐鎮路300號。2006年末，全區轄10個街道，244個居委會。

2007年末，全區面積23.48平方千米。戶籍人口78.96萬人。轄10個街道：乍浦路街道、新港路街道、歐陽路街道、曲陽路街道、廣中路街道、嘉興路街道、涼城新村街道、四川北路街道、提籃橋街道、江灣鎮街道，共有239個居委會。區政府駐飛虹路518號。

2009年11月，經上海市政府批準，虹口區對區內部分街道行政區劃進行調整，撤銷乍浦路街道和新港路街道建制，其轄區分別劃入四川北路街道、提籃橋街道和嘉興路街道。撤銷乍浦路街道建制，其原1.23平方千米的行政管轄范圍中，0.73平方千米劃入四川北路街道，0.5平方千米劃入提籃橋街道；撤銷新港路街道建制，其原1.78平方千米的行政管轄范圍中，1.19平方千米劃入嘉興路街道，0.59平方千米劃入提籃橋街道。調整后提籃橋街道東至大連路、楊樹浦路、秦皇島路，南至黃浦江、蘇州河，西至吳淞路，北至海寧路、周家嘴路，轄區面積約3.45平方千米，辦事處駐地在高陽路263號；四川北路街道東至歐陽路、臨平北路、四平路、虹口港、海寧路、吳淞路，南至蘇州河，西至河南北路、武進路、羅浮路、軌道交通3號線、寶源路、寶山路、東江灣路，北至四川北路、甜愛支路、山陰路、四達路，轄區面積約2.33平方千米，辦事處駐地在溧陽路1338號；嘉興路街道東至大連路，南至周家嘴路，西至虹口港，北至四平路，轄區面積約2.63平方千米，辦事處駐地在天寶路868號。調整工作從19日起至年底完成，調整后全區共轄8個街道辦事處。

2010年第六次人口普查，虹口區常住總人口852476人，其中：歐陽路街道73328人，曲陽路街道102564人，廣中路街道122669人，嘉興路街道125634人，涼城新村街道98094人，四川北路街道87401人，提籃橋街道113751人，江灣鎮街道129035人。

2011年末，虹口區面積23.48平方千米，戶籍人口276482戶790492人，轄8個街道，230個居委會。

2012年末，虹口區面積23.48平方千米，常住人口84.56萬人，其中外來人口18.65萬人。轄8個街道：歐陽路街道、曲陽路街道、廣中路街道、嘉興路街道、涼城新村街道、四川北路街道、提籃橋街道、江灣鎮街道。共有229個居委會。區政府駐嘉興路街道飛虹路518號。