境内有一溪流过，自东向西注入松阳湖，名新桥港（溪），设有船埠。相传溪畔大片山丘盛产茶叶，每当茶叶收购旺季，商贾云集港埠，故称云溪。明代正式建立云溪驿站。
区境春秋、战国时属楚地。秦统一后属长沙郡管辖。西汉时属长沙国下隽县地，东汉复属长沙郡。三国时期，境域先属蜀，后属吴国长沙郡巴丘地。晋至唐末为巴陵县地。五代后唐清泰年间在巴陵县东北部的陆城设立王朝场。宋淳化五年（994年）王朝场升为王朝县，至道二年（996）改名临湘县，区境属之。陆城自宋代起至1930年一直为临湘县治。
1984年4月6日经国务院批准，设立岳阳市北区，析临湘县西南部为其行政区域。建区伊始，区委、区人大、区政府驻路口镇。1986年迁至云溪镇。
1992年4月3日，市委、市政府以岳发[1992]5号文件明确：将北区陆城镇位于冶湖岸边的杨桥村、洋溪村（王家嘴渠西几户村民及其承包的责任田土暂交国营杨溪湖渔场管辖除外）、棋杆村及镇办金鸡林场和临湘农药厂扩建地盘的儒溪村成建制地划归临湘县管辖；将冶湖撇洪水系的鸭栏电排、新设电排和鸭栏排灌闸五处建筑物及其设施一并收为市管；将地处松杨湖地区的原桃矿农场土地和临湘县平瓦厂划归北区。
1996年3月16日，国务院批准（国函[1996]16号）同意将岳阳市北区更名为云溪区；6月正式更名为云溪区。1996年末，云溪区面积388.2平方千米，人口15.4万人，其中非农业人口7.24万人。辖4镇2乡、1个农场：云溪镇、陆城镇、道仁矶镇、路口镇、云溪乡、文桥乡、松杨湖农场。共有8个居委会、64个村（分场），18个居民小组、679个村民小组。区政府驻云溪镇。
2000年第五次人口普查，云溪区常住总人口163220人，其中，云溪镇20410人（5个镇、1个乡），陆城镇9953人，路口镇20951人，道仁矶镇8795人，文桥镇16344人，云溪乡31597人，长岭炼油化工总厂25376人，岳阳石油化工总厂29794人。
2000年底，全区面积388.2平方千米，人口15.86万人，其中非农业人口7.69万人。辖5个镇、1个乡、1个农场，8个居委会、56个村（分场），19个居民小组、680个村民小组。
2001年，撤松杨湖农场，建永济乡，隶属云溪区管辖（注：2002年8月16日正式实施）。2001年底，全区面积388.2平方千米，人口16.02万人，其中非农业人口7.93万人。辖5个镇、2个乡，10个居委会、65个行政村，19个居民小组、680个村民小组。
2002年，云溪区新设长岭街道办事处。2002年底，云溪区面积395平方千米，总人口16.32万人（包括长炼、岳化两厂人口3.2万人）。辖5个镇（云溪、路口、陆城、道仁矶、文桥）、2个乡（云溪、永济）、1个街道（长岭），72个村、7个居委会。
2008年末，全区总人口165865人，其中城镇居民82300人，农村居民83565人。辖7个乡镇（云溪乡、云溪镇、路口镇、文桥镇、陆城镇、道仁矶镇、永济乡）、1个街道（长岭街道办事处），共有66个村（场）和14个社区。区政府驻云溪镇。
2009年末，云溪区面积396.2平方千米，总人口16.73万人，辖2个乡、5个镇和1个办事处。
2010年第六次人口普查，云溪区常住总人口176672人，其中，云溪镇19997人，陆城镇9443人，路口镇23245人，道仁矶镇8851人，文桥镇18633人，云溪乡31818人，永济乡7496人，长炼工矿区28197人，岳化工矿区28992人。
2015年11月30日，省民政厅（湘民行发[2015]107号）批复同意：云溪乡、永济乡、云溪镇成建制合并设立云溪镇；文桥镇、路口镇成建制合并设立路口镇；道仁矶镇、陆城镇成建制合并设立陆城镇。调整后，全区辖1个街道、3个镇：长岭街道、云溪镇、陆城镇、路口镇。总面积403平方千米，总人口16.88万人。