三元原屬沙縣轄境，其地名由來已久。遠在唐代，因當地有一安氏產下三胞胎，長曰龍元，次曰獅元，末曰豺元，英杰有名于世，而取地名為三元。宋朝為沙縣二十二都的一個小村莊。明代中葉辟墟設鎮，明清設三元里，民國后設三元鎮。

1939年，從沙縣劃出設立三元特種區。1940年，增劃毗鄰的沙縣、明溪、永安縣部分地方設置三元縣，三元鎮改稱三民鎮。1950年解放時仍稱三民鎮，屬梅列區所轄。1954年，三民鎮改稱城關鎮，仍屬梅列區。1956年，三元、明溪兩縣為三明縣。1963年，與明溪縣分開建置，改稱三明市，隸屬三明專區。1983年，地、市合并后，設立三元區。

1984年，三元區轄城關街道、白沙街道、富興堡街道、荊西街道、莘口鎮、城東鄉、巖前鄉、中村鄉，共有29個居委會、47個村委會。

1992年，全區面積811平方千米，共有37754戶，136307人，其中農業人口52509人。轄城關、白沙、富興堡、荊西4個街道和莘口、巖前、中村、城東2鎮2鄉。區政府駐城關。

2000年第五次人口普查，三元區常住總人口180231人，其中：城關街道59554人，白沙街道37876人，富興堡街道23026人，荊西街道3658人，莘口鎮16611人，巖前鎮19091人，城東鄉7340人，中村鄉13075人。

2010年第六次人口普查，三元區常住總人口198958人，其中：城關街道65909人，白沙街道35538人，富興堡街道28279人，荊西街道11713人，莘口鎮16905人，巖前鎮18188人，城東鄉10744人，中村鄉11682人。