神农架林区以境内神农架山得名。神农架因华夏始祖炎帝神农氏在此架木为梯，采尝百草，救民疾夭，教民稼穑而得名。1959年设开发神农架指挥部，由兴山县、房县分头进军筑路，于1966年会合通车。
1970年5月28日，国务院批准设立神农架林区，以房县的盘水、上龛、九道3个区（15个公社、72个大队、311个生产队），和保康、兴山、巴东等县各一部分地区【本站注：共24个公社、2个药材场、1个农场】为其行政区域，驻木鱼坪。
1971年改属宜昌地区，1972年3月属省直辖。1976年5月属郧阳地区。1983年8月19日，国务院批准将郧阳地区的神农架林区（县级）由湖北省直接领导。1985年，巴东县代管的下谷坪、石磨、板桥河3个乡正式移交神农架林区。
1996年，神农架林区面积3253平方千米，人口约7.9万人。辖3个镇、12个乡：松柏镇、阳日镇、木鱼镇、新华乡、长坊乡、宋洛乡、盘水乡、官封乡、田家山乡、红举乡、板仓乡、东溪乡、九湖乡、红花乡、下谷坪土家族乡。区政府驻松柏镇。
2000年第五次人口普查，神农架林区总人口78242人，其中（5个镇、8个乡）：松柏镇25407人，阳日镇11493人，木鱼镇5174人，红花镇5714人，红坪镇2239人，新华乡4053人，宋洛乡8171人，官封乡1644人，红举乡1668人，板仓乡1322人，东溪乡2374人，大九湖乡2383人，下谷坪土家族乡6600人。
2004年末，神农架林区面积3253平方千米，人口7.87万人。辖松柏、阳日、木鱼、红坪4镇和新华、宋洛、九湖、下谷坪4乡。共有7个居委会、71个行政村。
2005年末，神农架林区辖松柏、阳日、木鱼、红坪4镇和新华、宋洛、九湖、下谷坪4乡。共有8个居委会、65个行政村。
2009年，撤销新华乡，设立新华镇，以原新华乡的行政区域为新华镇的行政区域，镇政府驻樟树坪。2009年末，神农架林区总面积3215.83平方千米，总人口80321人。辖5个镇、3个乡：松柏镇、阳日镇、红坪镇、木鱼镇、新华镇、宋洛乡、九湖乡、下谷平土家族乡，共有68个行政村、9个居委会，328个村民小组。
2010年第六次人口普查，神农架林区常住总人口76140人，其中：松柏镇31207人，阳日镇10085人，木鱼镇9089人，红坪镇5901人，新华镇3688人，宋洛乡6609人，九湖乡3657人，下谷坪土家族乡5904人。
神农架林区现辖6个镇、2个乡：松柏镇、阳日镇、红坪镇、木鱼镇、新华镇、九湖镇、宋洛乡、下谷平土家族乡。