历属江州、渝州和巴县。20世纪30年代初，沙坪坝隶属于四川巴县第一区，治所设于古镇磁器口（龙隐镇）。1939年划入重庆，建重庆市沙磁区。1940年至1949年属重庆市第十三区、十四区，1950年合并为重庆市第三区。1955年更名为沙坪坝区。
1995年初，将大坪、化龙桥街道，石桥铺和石桥镇划出，同时划入原巴县的青木关、陈家桥等九镇。沙坪坝区辖小龙坎、沙坪坝、磁器口、井口、詹家溪、石井坡、童家桥、渝碚路、天星桥、土湾、新桥、山洞、歌乐山13个街道办事处和覃家岗、歌乐山、井口3个镇，从巴县划入的陈家桥、曾家、虎溪、西永、土主、青木关、凤凰、回龙坝8个镇和中梁乡。区政府驻小龙坎。
1996年，沙坪坝区面积383.5平方千米，人口约62.3万人。辖小龙坎、沙坪坝、磁器口、井口、詹家溪、石井坡、童家桥、渝碚路、天星桥、土湾、新桥、山洞、歌乐山13个街道办事处，覃家岗、歌乐山、井口、陈家桥、曾家、虎溪、西永、土主、青木关、凤凰、回龙坝、中梁12个镇。区政府驻小龙坎新街，距市政府10千米。
2000年2月25日，重庆市政府（渝府[2000]27号）批复同意沙坪坝区政府驻地由小龙坎新街40号迁至天星桥凤天大道8号。
2000年第五次人口普查，沙坪坝区常住总人口789359人，其中：小龙坎街道29433人、沙坪坝街道71083人、渝碚路街道82713人、磁器口街道17296人、童家桥街道44959人、石井坡街道42773人、詹家溪街道30849人、山洞街道7517人、新桥街道44192人、天星桥街道48479人、土湾街道38195人、覃家岗镇40909人、歌乐山镇36650人、井口镇45473人、陈家桥镇31553人、虎溪镇16117人、曾家镇17328人、西永镇18868人、土主镇20602人、青木关镇25979人、凤凰镇21590人、回龙坝镇29614人、中梁镇18098人、联芳经济园区9089人。
2002年末，沙坪坝区户籍总人口68.85万人，其中非农业人口47.57万人。辖小龙坎、沙坪坝、渝碚路、磁器口、童家桥、石井坡、詹家溪、井口、歌乐山、山洞、新桥、天星桥、土湾13个街道和覃家岗、歌乐山、井口、陈家桥、曾家、虎溪、西永、土主、青木关、凤凰、回龙坝、中梁12个镇，110个居委会、87个村委会。
2005年末，全区户籍人口73.9万人，其中非农业人口53.3万人；常住人口86万人。2006年末，全区户籍人口74.6万人，其中非农业人口54.2万人；常住人口87.7万人。
2007年末，全区户籍人口75.4万人，其中非农业人口57.1万人；常住人口89.1万人。2008年末，全区常住人口90.21万人。
2009年2月13日，重庆市政府（渝府[2009]22号）批复同意撤销覃家岗镇，设立覃家岗街道。调整后，沙坪坝区辖14个街道、11个镇：小龙坎街道、沙坪坝街道、渝碚路街道、磁器口街道、童家桥街道、石井坡街道、詹家溪街道、井口街道、歌乐山街道、山洞街道、新桥街道、天星桥街道、土湾街道、覃家岗街道、井口镇、歌乐山镇、青木关镇、凤凰镇、回龙坝镇、陈家桥镇、曾家镇、虎溪镇、西永镇、土主镇、中梁镇。区政府驻覃家岗街道。
2010年第六次人口普查，沙坪坝区常住总人口1000013人，其中：小龙坎街道35167人，沙坪坝街道73290人，渝碚路街道100012人，磁器口街道18963人，童家桥街道47873人，石井坡街道33184人，詹家溪街道31683人，井口街道25679人，歌乐山街道10950人，山洞街道3075人，新桥街道52762人，天星桥街道77470人，土湾街道45144人，覃家岗街道79544人，井口镇27404人，歌乐山镇41674人，青木关镇30469人，凤凰镇19902人，回龙坝镇26582人，陈家桥镇54828人，曾家镇23947人，虎溪镇54079人，西永镇26140人，土主镇18303人，中梁镇17111人，联芳园区24778人。
2011年9月2日，重庆市政府（渝府[2011]92号）批复同意撤销陈家桥镇、虎溪镇和西永镇，调整小龙坎街道行政管辖范围，设立陈家桥街道、虎溪街道、西永街道和联芳街道。调整后，沙坪坝区辖小龙坎、沙坪坝、渝碚路、磁器口、童家桥、石井坡、詹家溪、井口、歌乐山、山洞、新桥、天星桥、土湾、覃家岗、陈家桥、虎溪、西永、联芳18个街道和歌乐山、井口、曾家、土主、青木关、凤凰、回龙坝、中梁8个镇。
2015年1月7日，重庆市政府（渝府[2015]2号）批复同意詹家溪街道更名为双碑街道。