大同区名来源于大同镇名。原属肇州县管辖，1946年2月，设置第五区。1955年5月，改为大同区，1956年并村划乡撤销区的建制，乡、镇由县直辖。1959年11月，以“松基三井”所在地（今高台子镇永胜村）为中心，设立大庆区，隶属肇州县，管辖肇州县所属的群众、新主、中心、联合、大庆和肇源县所属的大官、兴隆等7个公社。1960年5月，将大庆区划归安达市管辖，1964年2月更名为大同区。1965年5月，恢复安达县，撤销大同区，将原大同区所属各公社全部划归安达县管辖。
1978年4月16日，经省革委会批准，将安达县所属的大同镇、高台子、八井子、庆阳山、老山头、葡萄花、兴隆泉、祝三、大青山、双榆树等10个公社和红旗林场、立志办事处划归安达市管辖，同时复设大同区（1979年7月16日，省革委会正式批准），管辖原大同区管辖的公社。1979年12月，安达市更名为大庆市，隶属大庆市管辖。
1992年末，大同区位于大同市境南部，东北与安达市接壤，东南与肇州县毗邻，西南与肇源县分界，西北与杜尔伯特蒙古族自治县相连。全区总面积2235平方千米。总人口22.4万人，其中非农业人口5.05万人。辖新华、高平、庆葡、八村、立志、林源等6个街道和10个乡镇。区政府驻地大同镇。（以上摘自《黑龙江省志·地名录》，有改动）
1996年，大同区面积2412平方千米，人口22.3万人。辖4个街道、2个镇、8个乡：庆葡街道、新华街道、林源街道、立志街道、大同镇、高台子镇、老山头乡、庆阳山乡、祝三乡、大青山乡、兴隆泉乡、八井子乡、双榆树乡、葡萄花乡。区政府驻大同镇。
2000年第五次人口普查，大同区（辖3个街道、4个镇、6个乡）总人口233580人，其中：林源街道16865人，庆葡街道14102人，新华街道5078人，大同镇34724人，高台子镇33926人，太阳升镇13360人，林源镇19181人，八井子乡12732人，大青山乡12339人，祝三乡12141人，庆阳山乡13141人，老山头乡20242人，双榆树乡15706人，和平种畜场10043人。
2001年，撤销庆阳山乡，并入八井子乡；撤销大青山乡，并入祝三乡。将86个行政村调整为58个。2001年底，大同区面积2372平方千米。辖3个街道、4个镇、4个乡：庆葡、立志、新华3个街道，大同镇、高台子镇、太阳升镇、林源镇，八井子乡、祝三乡、老山头乡、双榆树乡。