1949年3月在海淀区现辖区域内正式设置单一行政区域，当时称“北平市第十六区”。后两次更名，于1952年9月1日命名为“海淀区”。
1999年，设立花园路街道、西三旗街、马连洼街道、田村路街道、上地街道。
2000年第五次人口普查，海淀区总人口2240124人，其中：万寿路街道148159人、永定路街道37394人、羊坊店街道110193人、甘家口街道111596人、八里庄街道83519人、紫竹院街道134330人、北下关街道131720人、北太平庄街道136244人、双榆树街道50211人、学院路街道157065人、中关村街道58367人、海淀街道108635人、青龙桥街道78664人、清华园街道49072人、燕园街道36706人、香山街道35690人、清河街道71862人、田村路街道45429人、花园路街道130059人、西三旗街道88954人、上地街道10894人、马连洼街道66622人、温泉镇31537人、玉渊潭乡41226人、四季青乡88643人、海淀乡34878人、东升乡34533人、东北旺乡36519人、永丰乡30363人、上庄乡25138人、苏家坨乡18697人、北安河乡13031人、聂各庄乡4174人。
2001年9月10日，经市政府研究，同意海淀区关于城乡结合部乡镇行政区域调整的意见：撤销四季青乡，设立四季青镇；在东升乡设立东升地区办事处，与东升乡实行“一套人马，两块牌子”；在海淀乡设立万柳地区办事处，与海淀乡实行“一套人马，两块牌子”；撤销玉渊潭乡，将其所辖区域划归毗邻街道办事处管辖。
2002年，据北京市政府《关于海淀区城乡结合部乡镇行政区划调整的批复》精神，海淀区完成对万柳、东升两个地区办事处行政区域管辖范围的重新划分工作；将原有的1053个居（家）委会调整为579个社区。2002年11月，区机关由临时驻地皇苑大酒店迁至位于长椿桥路17号的新办公大楼。
2002年末，海淀区总面积430.77平方千米。人口167.6万人。辖22个街道、2个镇、9个乡（其中2个乡同时设地区办事处）：万寿路街道、永定路街道、羊坊店街道、甘家口街道、八里庄街道、紫竹院街道、北下关街道、北太平庄街道、双榆树街道、学院路街道、中关村街道、海淀街道、青龙桥街道、清华园街道、燕园街道、香山街道、清河街道、花园路街道、西三旗街、马连洼街道、田村路街道、上地街道、万柳地区（海淀乡）、东升地区（乡）、温泉镇、四季青镇、玉渊潭乡、东北旺乡、永丰乡、上庄乡、苏家坨乡、北安河乡、聂各庄乡。共有573个社区、88个行政村。区政府驻西三环长椿桥路17号。
2003年，撤销东北旺乡、永丰乡，合并设立西北旺镇；撤销苏家坨乡、北安河乡、聂各庄乡，合并设立苏家坨镇；撤销上庄乡，设立上庄镇。2004年12月16日，曙光街道办事处正式挂牌成立。
2004年末，海淀区辖23个街道、5个镇、2个乡（地区）：万寿路街道、永定路街道、羊坊店街道、甘家口街道、八里庄街道、紫竹院街道、北下关街道、北太平庄街道、双榆树街道、学院路街道、中关村街道、海淀街道、青龙桥街道、清华园街道、燕园街道、香山街道、清河街道、花园路街道、西三旗街、马连洼街道、田村路街道、上地街道、万柳地区（海淀乡）、东升地区（乡）、曙光街道、温泉镇、四季青镇、西北旺镇、苏家坨镇、上庄镇。
2005年第85次市长办公室研究同意调整海淀区平原地区行政建制。此次调整是根据北京市关于新建街道办事处“地域面积5―10平方千米，规划居住人口8―10万人，实际居住人口超过3万人，其中居民人口比例占80%以上”的设置标准确定的，是海淀区进行全区资源整合以来最重要的举措之一，也是海淀区历史上最大规模的一次行政区划调整。 8月，海淀区行政区划调整：将把双榆树街道办事处全部管辖区及学院路街道办事处所辖东升园地区并入中关村街道办事处；调整海淀街道办事处与周边街道、地区办事处管辖范围；东升地区办事处京包铁路以西、荷清路以北地区划归清华园街道办事处管辖；万柳地区办事处树村地区和西北旺镇中关村软件园地区划归上地街道办事处管辖；西北旺镇百草园地区、百旺新城地区划归马连洼街道办事处管辖。交接工作自8月26日开始至9月15日完成。 具体调整情况：（1）原双榆树街道和原中关村街道合并成为新的中关村街道，学院路街道办事处所辖的东升园地区也并入到新的中关村街道内。新的街道办事处分南北两个办公区，北办公区设在原中关村街道办事处所在地，主要设立了计生办等与居民事务密切相关的部门；南办公区设在双榆树社区服务中心，主要是工委办公室等行政部门。原双榆树街道面积1.99平方千米；原中关村街道面积3.11平方千米。（2）万柳地区办事处（即海淀乡）辖区内的万泉庄村地区并入到海淀街道。万泉庄村地区已实现了城市化，并成为海淀区的行政中心和住宅集中区。为使街道办事处的地图都趋于整齐，便于规范管理，该地区就近并入海淀街道办事处。（3）海淀街道办事处管辖的北三环西路、长春桥路以南地区并入紫竹院街道。（4）海淀街道辖区内的大石桥地区和东升地区办事处内京包铁路以西、荷清路以北地区一同并入清华园街道。（5）万柳地区办事处辖区内的树村地区、西北旺镇辖区内的中关村软件园区一同并入上地街道。上地街道办事处主要为工业用地，与这两个地区毗邻。这两个地区同属高新技术产业开发区，并入上地街道后，可统一上地街道的特色。（6）西北旺镇西北旺新村地区和百草园并入到马连洼街道。 调整后各街道新范围：（1）中关村街道办事处：东至京包线，南至北三环西路，西至中关村大街，北至成府路。（2）学院路街道办事处：东至八达岭高速路，南至北四环中路，西至京包线—西王庄小区西围墙—双清路；北至清河街道办事处与学院路街道办事处分界线。（3）海淀街道办事处：东至中关村大街，南至北三环西路—长春桥路，西至京密引水渠，北至北四环西路—万泉河路—芙蓉北路—颐和园路—海淀路。（4）紫竹院街道办事处：东、南、西为原分界线，北至北三环西路—长春桥路。（5）青龙桥街道办事处：北、西、南为原分界线，东至京包铁路—污水明渠。（6）清华园街道办事处：东至京包铁路—财经东路—中关村东路，南至成府路，西至中关村北大街—清华南路，北至污水明渠。（7）东升地区办事处：五环路以北地区不变，五环路以南地区北、东、南为原边界线，西至京包铁路—财经东路—中关村东路。（8）上地街道办事处：东至京包铁路，南至北五环路中心线，西至软件园西路—东北旺西路—农大北路—原万柳地区办事处树村地区与马连洼街道办事处分界线，北至后厂村路。（9）万柳地区办事处：青龙桥村地区四至范围不变。（10）马连洼街道办事处：东至软件园西路—东北旺西路—原马连洼街道东部分界线，南至北五环路中心线，西至京密引水渠—西北旺新村西路，北至西北旺环路—后厂村路。 11月，海淀区完成行政区划调整，全区街道、乡镇行政建制由原先的30个减少至29个，即22个街道、2个地区（乡）和5个镇。共有566个社区、85个村委会。年末户籍人口191.8万人。
2011年根据《北京市民政局关于调整海淀区七个乡镇行政区划的批复》（京民划函[2011]317号）：撤销海淀乡、东升乡，设立海淀镇、东升镇，并分别保留万柳地区办事处、东升地区办事处。在温泉镇、四季青镇、西北旺镇、苏家坨镇、上庄镇5个镇设立地区办事处，实行“一套人马，两块牌子”，同时行使街道、镇职权。（2011年11月，温泉等5个镇正式挂牌成立地区办事处；2012年2月23日正式撤销海淀乡，设立海淀镇）