区内有一突兀小山形似蝴蝶，蝶山区因而得名。秦始皇南取百越，置南海、桂林、象郡三郡，区地属桂林郡（一说象郡）。汉初赵佗并桂林郡、象郡称南越国，并封其宗弟赵光为苍梧王、治广信、区地属广信。汉元鼎六年（公元前111年），梧州属交趾刺史部苍梧郡、称广信县、治苍梧王城。区地位于王城西面，与王城隔桂江而相望。
隋开皇三年（583年）更广信县为苍梧县，今蝶山区属苍梧县。唐武德四年（621年）置梧州，区地属梧州。明代，梧州府与苍梧县府县同驻城区。苍梧县城划为华岳、善教、富德、宝伦、阜民等5厢，淳政、通泰、迎恩、水西、育真等5坊。水西访即今蝶山区区域内。清代沿用明制，全县划为11坊1所11乡。其中水西坊及富民坊均在今蝶山区范围之内。
民国十六年（1927年）成立梧州市政府，为省辖市，以原苍梧县城区（今万秀区辖境），三角嘴（今蝶山区辖境）及西江南岸火山至高旺一带为在政区域。1932年，撤市复归苍梧县、治梧州。1933年，全县分梧州、戎城等7个区，梧州区辖8镇7乡，其中河滨镇、富民乡、龙华乡大塘村一带为今蝶山区属地。1947年，撤销区建制，梧州城内分为城东、城南、城中、城北、河滨等5镇和鸳江乡。
1949年11月25日梧州解放。1950年1月，在蝶山区辖境内，设立河滨镇公所。1953年5月，撤销河滨镇公所，其所管辖的地段范围划归第二区人民政府。1955年8月，撤销第二区人民政府，原河滨镇所辖的大部分地段划为角嘴街道办事处。1958年9月，角嘴街道办事处改称河西区公所。1960年4月，撤销河西区公所，成立蝶山人民公社。1961年11月，在蝶山人民公社的基础上成立区公所（1962年8月前称河西区公所，之后称蝶山区公所）。1962年8月，实行政社合一。1968年9月，蝶山人民公社改称梧州市向阳人民公社革命委员会。1979年2月，城区人民公社改建为市辖区，向阳人民公社革命委员会改称梧州市蝶山区革命委员会。1980年8月改蝶山区人民政府。
1996年，蝶山区面积72平方千米，人口约11.5万人。辖4个街道：角嘴街道、东兴街道、富民街道、大塘街道。区政府驻角嘴后路。2000年第五次人口普查，蝶山区总人口186594人。其中：角嘴街道31481人，东兴街道64403人，富民街道54501人，大塘街道36209人。2002年9月，蝶山区辖角嘴、东兴、富民、大塘4个街道，29个社区，总面积11.30平方千米，45887户，140079人。
2003年1月2日，国务院（国函[2003]1号）批准同意调整梧州市市辖区和苍梧县行政区划，其中：将蝶山区的新兴二路居委会、龙山里居委会、西堤三路第一居委会、西堤三路第二居委会划归长洲区管辖。将万秀区塘源居委会、原郊区龙湖镇的高旺、新民、旺步、塘源4个村和苍梧县夏郢镇划归蝶山区管辖。蝶山区人民政府驻角嘴后路。2月，调整梧州市辖区划，将苍梧县的夏郢镇及郊区龙湖镇的高旺、新民、旺步、塘源4个村和万秀区塘源居委会划归蝶山区管辖（注：原郊区龙湖镇新民村的第1、第2组划归万秀区城东镇管辖）。至此，蝶山区总面积312.54平方千米，下辖3个街道、2个镇，50个居（村）委会，总人口增至20.20万人，其中非农业人口15.70万人。
2003年蝶山区行政区划（根据当年广西行政区划代码整理）
001 角嘴街道 辖珠山、新兴、新华、奥奇丽、高旺、潘塘、塘源7个社区。
002 东兴街道 辖上冲、下冲、龙骨、步埠、上三云、下三云、蝶彩、西环8个社区。
003 富民街道 辖傍山、大学、枣冲、富民、东山、富新、富和、莲花8个社区。
101 龙湖镇 辖新民、高旺、旺步、塘源4个行政村。
102 夏郢镇 辖夏郢社区；思委、思安、北胜、平安、双垌、民智、毓秀、周睦、高才、泗马、竹坡、里秀、夏郢、富教、新夏、凤凰、镇安、答涓、保安、儒岩、德安、旺坡22个行政村。