蔡甸区，汉属荆州江夏郡，先分属安陆、沙羡县；建武元年置沌阳县，三国时改为石阳县，晋武帝太康元年改石阳为曲阳，惠帝永兴二年改曲阳为曲陵。隋开皇十七年（597年），改称汉津县；大业二年（606年），改汉津为汉阳县。
1949年5月属沔阳专区。1950年汉阳城区并入武汉市，县治移入蔡甸。1951年改属孝感专区，1960年归武汉市，1961年又属孝感专区，1975年再归武汉市。1992年9月12日，经国务院批准撤销汉阳县，设立武汉市蔡甸区。
1994年4月，撤销高庙乡，并入蔡甸镇。1995年4月，撤销蔡甸镇，设立蔡甸街道；撤销新农镇，设立新农街道；撤销郭徐岭乡，设立沌阳街道；撤销沌口镇，设立沌口街道。1996年，武汉市政府决定将蔡甸区的沌口、沌阳两个街道委托武汉经济技术开发区管理。
1996年，蔡甸区面积1105.6平方千米，人口约51.3万人。辖4街道11镇4乡：蔡甸街道、新农街道、沌阳街道、沌口街道、侏儒镇、黄陵镇、奓山镇、永安镇、玉贤镇、军山镇、索河镇、张湾镇、柏林镇、常福镇、大集镇、成功乡、消泗乡、曲口乡、洪北乡。区府驻蔡甸街。境内有1个农场。
2000年6月，撤销奓山镇，设立奓山街道；撤销永安镇，设立永安街道；撤销侏儒镇，设立侏儒街道；撤销大集镇，设立大集街道；撤销张湾镇，设立张湾街道。调整后，蔡甸区辖9个街道、6个镇、4个乡。
2000年第五次人口普查，蔡甸区总人口512444人，其中：蔡甸街道97773人，新农街道36729人，奓山街道34898人，永安街道30201人，侏儒街道46553人，大集街道28080人，张湾街道20468人，沌阳街道45349人，沌口街道13078人，柏林镇15582人，索河镇25767人，玉贤镇17825人，黄陵镇13963人，常福镇19786人，军山镇12043人，成功乡12906人，消泗乡13401人，洪北乡4939人，曲口乡3282人，神龙9350人，纸厂7440人，桐湖农场3031人。
2001年5月，撤销新农街道，并入蔡甸街道；撤销沌阳街道，并入沌口街道；撤销柏林镇，并入张湾街道（驻柏林庄）；撤销常福镇，并入奓山街道；撤销黄陵镇，并入军山镇（驻黄陵矶）；撤销成功乡、洪北乡，并入侏儒街道；撤销曲口乡，并入消泗乡。
2003年9月，桐湖农场改为桐湖办事处。2004年4月12日，市民政局发文批复：经市政府同意，报省政府批准，同意撤销军山镇，设立军山街道（2006年，武汉市政府决定将蔡甸区的军山街道委托武汉经济技术开发区管理。）。
2004年末，蔡甸区面积1100.81平方千米，总人口480503人（根据湖北地名网，不包括沌口街道）。辖蔡甸、奓山、永安、侏儒、大集、张湾、沌口、军山8个街道，索河、玉贤2个镇和消泗1个乡，共有44个居委会、332个行政村（包括沌口街道数据）。蔡甸街道人口149167人，面积74.44平方千米，辖29居42村；张湾街道人口37724人，面积71.42平方千米，辖2居31村；侏儒街道人口72611人，面积178.55平方千米，辖3居50村；永安街道人口33463人，面积69.07平方千米，辖1居21村；奓山街道人口58378人，面积102.04平方千米，辖2居48村；大集街道人口31246人，面积57.79平方千米，辖1居34村；军山街道人口24272人，面积82.91平方千米，辖2居21村；索河镇人口30143人，面积49.77平方千米，辖1居26村；玉贤镇人口19991人，面积49.85平方千米，辖1居17村；消泗乡人口20157人，面积80.81平方千米，辖12村；桐湖农场人口3351人，面积30.59平方千米，辖5村；国有独立权属单位面积246.55平方千米；沌口街道面积77.20平方千米，辖2居30村。
2010年第六次人口普查，蔡甸区常住总人口618994人，其中：蔡甸街道146138人，奓山街道46008人，永安街道26989人，侏儒街道47326人，大集街道29532人，张湾街道28674人，沌口街道181575人，军山街道26531人，索河镇21544人，玉贤镇15417人，消泗乡13251人，桐湖办事处2314人，洪北管委会3585人；（蔡甸经济开发区）沌口办事处13139人，常福办事处6966人，文岭办事处827人，姚家山办事处9178人。
2011年末，全区总面积1093.17平方千米，户籍总人口444531人，其中非农业人口122381人。辖6个街道、2个镇、1个乡，28个社区、283个行政村。（武汉年鉴2012数据）
2012年12月20日，将沌口街道调整设立为沌口、沌阳两个街道（武民政[2012]187号文件批复）。
2014年8月19日，市民政局（武民政[2014]53号）批复同意将侏儒街道更名为侏儒山街道。