旧称双城堡。清嘉庆朝晚期（1814—1820年），屯田立屯，设置协领衙门，以其东南金代两古城（俗称“双城子”，即“达河寨”、“布达寨”，今五常市境内）遗址，命名“双城堡”。双城一带，夏至周为肃慎地（又称稷慎），汉晋属扶余，南北朝属勿吉。隋至唐初属伯咄靺鞨，后为渤海扶余府的属地。辽属东京道宁江州，金属上京会宁府（一说肇州），元为辽阳行省开元路。明为奴儿干都司纳邻河卫（拉林河卫）地，后为乌拉部。
清初属宁古塔将军辖区（昴帮章京）。乾隆二十一年（1756年）于拉林城设副都统（一说，乾隆九年设置拉林阿勒楚喀副都统，驻拉林城，管辖拉林、阿勒楚喀地方）。嘉庆十九年（1814年）于双城地方设协领（一说，乾隆三十四年裁撤拉林副都统，设置协领），隶属阿勒楚喀副都统。咸丰初年（1851年）撤销协领，设副都统衙门总管。光绪七年（1881年）仍改为协领统治；八年（1882年）再次废协领，设置双城厅理事通判，管理地方旗民事务，驻双城堡，隶属吉林分巡道，并于拉林设分防巡检。光绪三十三年（1907年）隶属滨江道。宣统元年（1909年）升厅为府，隶属吉林省西北路道。
1913年（民国二年）3月改为双城县。1914年6月隶属吉林省滨江道。1929年（民国十八年）2月废道制，本县直隶吉作省，为一等县。1934年（伪满康德元年）12月，划归滨江省管辖。1938年，将第九区（帽儿山）划归珠河县。1945年“九三”抗日战争胜利后，隶属松江省哈南专区。1946年1月，于拉林镇设置双东办事处。1947年1月，将拉林地区划出设置拉林县。同年8月，由松江省直辖。1954年8月，松、黑两省合并后，由黑龙江省直辖。1958年8月，划归松花江专区管辖。1960年5月，划归哈尔滨市领导。1965年8月，划归新设之松花江专区管辖。
1988年9月14日，民政部（民行批[1988]30号）批复，经国务院批准，撤销双城县，设立双城市（县级），以原双城县的行政区域为双城市的行政区域；隶属松花江地区。1996年11月5日，松花江地区和哈尔滨市合并后，划归哈尔滨市代管。2014年5月2日，《国务院关于同意黑龙江省调整哈尔滨市部分行政区划的批复》（国函[2014]55号）：同意撤销县级双城市，设立哈尔滨市双城区，以原双城市的行政区域为双城区的行政区域，双城区人民政府驻双城镇新兴大街99号。2015年5月10日，双城区政府正式挂牌成立。
1945年末，县民主政府成立，全县设第一区（城区）、城东区和西北区等三个行政区。1946年6月全县重划为11个行政区，下设83个村；原第一区改为城关区，辖33个坊，即东南隅民国、民乡、民治，民宁、民敬5坊，东北隅政德、政化、政隆、政昌、政泽、政惠6坊，西南隅新道、新宁、新民、新里、新宏、新生、新远、新富、新丰9坊，西北隅尚安、尚文、尚和、尚平、尚武5坊，城郊大信、大义、大纯、大兴、崇善、众城、本礼、信义8坊。
1948年11月，将原来的11个区调整为16个区；12月又将以数字为序的区，改为以地名冠首；城关区仍辖33个坊；农村15个区辖239个村：永乐区（二区）辖中兴、庆宁、庆丰、庆安，新丰、庆功、久援、久前，长永、永支、永跃、久前、永庆、庆城、长产、庆乐16村；东官区（三区）辖东官、东胜、东城、东富、庆人、庆北、庆东、万解、万民、延军、延放、益胜、益利、东升、东兴、东朴16村；周家区（四区）辖平福、平等、平权、平新、平康、长久，长安、恒顺、恒发、周政、周启、平顺、平乐、平宁、周家、周源、长岭、平安、平仪、长叶20村；五家区（五区）辖新华、新民、新兴、民太、民康、民乐、民富、解放、民安、新胜、民和、新生、民权、民主、民生、新乐16村；太平区（六区）辖太平、胜利、先进、胜强、永胜、先发、永强、永和、先富、立志、胜友、太安、立业、立权、太宁15村；进化区（七区）辖农丰、康宁、爱乡、民旺、保胜、进步、中心，富余、固强、公正、精勤、贤邻、国兴、权礼、田茂、乐群、永久17村；环城区（八区）辖尚礼、富勤、进礼、民乐、治礼、富礼、新礼、政礼、仁礼、富新、富城、信仁、富立、富强、富志15村；杏山区（九区）辖仁义、仁勇、大义、大有、大德、大庆、双山、双合、姜家，胡家、西官、付木、三邻、金山、双林、老房、杏山17村；临江区（十区）辖团山、永强、临江、乐乡、平房、自强、建强，松江，永合、榆树、建乡、沿江、丹城、仁利、都家15村；万隆区（十一区）辖双榆、新华、五家、楼上、仁和、阚家、万隆，建新、苗家、吴金、石人、双龙、辛家，多口14村；韩集甸区（十二区）辖大马家、拉拉、韩甸、双林、右三家、大房身、六家、新城、胜利、花园、大周家、新立、腰小房身、小马家14村；永胜区（十三区）辖裕仁、裕新、裕民、裕强、裕丰、增胜、希勤、希贤、爱贤、裕诚、裕礼、创勤、爱民13村；兰棱区（十四区）辖永发、沿河、金城、胜利、沿乡、兰棱、新民、新化、临江、金河、靠山、治业、立志、广益、治安15村；朝阳区（十五区）辖胜丰、胜发、胜成、胜钱、胜业、诚祥、诚明、诚乐、胜德、胜兴、胜利、胜阳、胜全、诚立、胜平、胜乡、胜林、胜友、胜家19村；单城区（十六区）辖乐工、兴农、政利、兴团、兴结、安强、长生、政善、政安、政久、政兴、政丰、政治、政广、政德、政财、安家17村。
1956年3月，改区村制为乡、村制，全县设双城镇（下辖10个街道办事处）和希勤、万隆、富礼、太平、周家、单城、立功、常乐、富余、临江、农丰、乐群、西官、水泉、韩甸、杏山，仁和、金山、裕丰、花园、金城、兰棱、朝阳、胜丰、前进、团结、建设、青岭、东官、繁荣、新华、五家、长勇、耕勤、幸福35个乡（下辖239个村）。1958年3月，将原1镇35个乡合并为1镇16个乡；同年9月，撤销乡制，设立17个公社，下设255个管理区。
1961年5月，新设东官、金城、同心、公正4个公社，全县辖城镇、幸福、五家、周家、青岭、单城、朝阳、兰棱、希勤、韩甸、万隆、乐群、水泉、杏山、农丰、临江、太平、东官、金城、同心、公正21个公社，下辖280个生产大队（含686个自然屯），1196个生产队。1970年，新设新兴、文革，前进、红光、跃进、团结、永胜7个公社，全县计28个公社，12个街道办事处，322个生产大队（含691个自然屯），1411个生产队。1978年11月，太平公社划归哈尔滨市管辖。1980年文革公社更名为联兴公社，1981年红光公社更名为对面城公社。
1984年，将全县27个公社会改为双城、周家、五家、韩甸、兰棱5个镇和幸福等22个乡，同时将原373个生产大队改为374个村，下辖691个自然屯。1985年，东官、农丰、杏山、单城4个乡改镇，全县遂为9镇18乡，其中乐群、幸福为满族乡。乡，镇下设374个村（居）委会、22个街道办事处、691个自然屯。
1992年末，双城市位于黑龙江省西南部，北与肇东市、哈尔滨市为邻，东与阿城市、五常县接壤，南、西以拉林河为界与吉林省隔河相望，西北与肇源县以松花江分界。全市总面积3112.3平方千米。总人口74.7万人，其中非农业人口14.7万人；满、回、锡伯等少数民族人口约占17%。共辖9个镇、18个乡，其中满族乡9个、满族锡伯族镇1个。市政府驻地双城镇。（《黑龙江省志·地名录》）
双城市面积3097.3平方千米，人口74.6万人。辖9镇18乡：双城镇、五家镇、东官镇、兰棱镇、韩甸镇、农丰满族锡伯族镇、杏山镇、单城镇、周家镇、新兴满族乡、联兴满族乡、朝阳乡、跃进满族乡、前进乡、临江乡、幸福满族乡、青岭满族乡、金城乡、希勤满族乡、团结乡、乐群满族乡、 同心满族乡、对面城乡、永胜乡、水泉乡、万隆乡、公正满族乡。市政府驻双城镇。（根据《中国政区大典》，1996年前后资料）
2000年第五次全国人口普查，全市总人口749182人，其中：双城镇173226人，兰棱镇35888人，周家镇32236人，五家镇35182人，韩甸镇28406人，单城镇23414人，东官镇21286人，农丰满族锡伯族镇21774人，杏山镇26828人，朝阳乡22576人，金城乡23913人，前进乡23302人，青岭满族乡17806人，联兴满族乡18301人，幸福满族乡18194人，新兴满族乡20834人，公正满族乡21235人，永胜乡17030人，临江乡15967人，水泉乡21224人，乐群满族乡19938人，跃进满族乡14032人，团结乡16737人，万隆乡23198人，对面城乡19985人，希勤满族乡19287人，同心满族乡17383人。
2006年，双城市总面积3112平方千米，总人口807312人。辖9个镇、6个乡、9个民族乡：双城镇、兰棱镇、周家镇、五家镇、韩甸镇、单城镇、东官镇、农丰满族锡伯族镇、杏山镇、双城市社区管理委员会、朝阳乡、金城乡、青岭满族乡、联兴满族乡、幸福满族乡、新兴满族乡、公正满族乡、永胜乡、临江乡、水泉乡、乐群满族乡、团结满族乡、万隆乡、希勤满族乡、同心满族乡。共有246个行政村，632个自然屯。
2010年第六次人口普查，双城市常住总人口825634人，其中：双城市街道管委会177708人，双城镇40701人，兰棱镇39044人，周家镇33796人，五家镇37895人，韩甸镇38793人，单城镇20410人，东官镇22964人，农丰满族锡伯族镇20827人，杏山镇28843人，朝阳乡50850人，金城乡22657人，青岭满族乡19838人，联兴满族乡19531人，幸福满族乡18144人，新兴满族乡21436人，公正满族乡21683人，永胜乡17363人，临江乡18345人，水泉乡23097人，乐群满族乡21252人，团结满族乡33780人，万隆乡38147人，希勤满族乡19132人，同心满族乡19398人。
2012年，撤销新兴满族乡，设立新兴镇。2014年末，双城区辖14个镇、10个乡（其中5个民族乡）：双城镇、兰棱镇、周家镇、五家镇、韩甸镇、单城镇、东官镇、农丰满族锡伯族镇、杏山镇、新兴镇、西官镇、公正镇、联兴满族镇、永胜镇、朝阳乡、金城乡、青岭满族乡、幸福满族乡、临江乡、水泉乡、乐群满族乡、万隆乡、希勤满族乡、同心满族乡。
2015年3月，撤销7个乡镇（双城镇、兰棱镇、周家镇、五家镇、新兴镇、公正镇、幸福满族乡），设立10个街道（永和街道、承恩街道、承旭街道、永治街道、兰棱街道、周家街道、五家街道、新兴街道、公正街道、幸福街道）。调整后，全区辖10个街道、8个镇、9个乡（其中4个民族乡），以及街道管委会。