东周以前，区境为荆州之域；春秋时期为楚国属地；战国时期为楚国黔中郡地；秦统一六国后，属长沙郡地。西汉置益阳县，属长沙国。益阳因以县治位于益水（今资水）之阳而得名。1940年，湖南行政区划调整，第五区行政督察专员兼保安司令公署驻益阳县城，此为区境地区一级行政建置之始。
1949年8月设立益阳专区，专署驻益阳县，辖益阳、湘乡、安化（驻东坪）、汉寿、宁乡、沅江等6县。1950年10月由益阳县城区析置益阳市，益阳专署驻益阳市。1952年由益阳县析置桃江县，驻桃江镇；由湘乡县析置双峰县，驻永丰镇；由湘乡、安化、邵阳3县析置蓝田县（不久改名涟源县），驻蓝田镇。
1952年11月，撤销益阳专区，将益阳、沅江、安化、汉寿、桃江5县划归常德专区；湘乡、双峰、涟源3县划归邵阳专区；宁乡县划归湘潭专区。1962年12月复设益阳专区，专署驻益阳市桃花仑，将常德专区所属益阳市及益阳（驻益阳市）、华容、沅江（驻琼湖镇）、南县、安化（驻东坪镇）、桃江（驻桃江镇）6县及湘潭专区所属宁乡县划入益阳专区；辖1市、7县。1964年9月将华容县和钱粮湖农场划归岳阳专区管辖。
1970年益阳专区改称益阳地区，地区驻益阳市。辖益阳市及益阳（驻益阳市）、南县、沅江（驻琼湖镇）、宁乡、安化（驻东坪镇）、桃江等6县。1983年7月，宁乡县划归长沙市。1984年划益阳县长春区归益阳市。1988年10月11日，国务院批准撤销沅江县，设立沅江市（县级）。
1994年4月7日，国务院批复（国函[1994]17号）：（1）撤销益阳地区、益阳市和益阳县，设立益阳市（地级）。市人民政府驻新设的赫山区桃花仑。（2）益阳市新设资阳区和赫山区。资阳区辖原益阳市的汽车路、大码头、城内、大水坪4个街道办事处和新桥河、迎丰桥两个镇及长春、香铺仑、李昌港、过鹿坪、杨林坳5个乡，原益阳县的沙头镇、茈湖口镇、张家塞乡，区人民政府驻原益阳市人民政府所在地大码头街道办事处。赫山区辖原益阳市的黄泥湖、金花湖两个乡和桃花仑、会龙山两个街道办事处，原益阳县的赫山、衡龙桥、沧水铺、欧江岔、泉交河、兰溪、八字哨、泥江口、新市渡、谢林港10个镇和提卡子、岳家桥、大泉、樊家庙、白石塘、槐奇岭、珠波塘、上湖、牌口、张家塘、羊舞岭、羊角、石笋、笔架山、泞湖、烂泥湖、千家洲、天成垸、邓石桥19个乡，区人民政府驻原益阳县人民政府所在地赫山镇。（3）益阳市辖原衡水地区的南县、桃江县、安化县和新设的资阳区、赫山区。原益阳地区的沅江市由省直辖。
1996年，益阳地区面积12144平方千米，人口约442.3万人，市政府驻桃花仑，辖赫山、资阳2区及南县、桃江、安化3县，代管沅江市。大通湖、北洲子、金盆、千山红、茶盘洲、大通湖渔场6个县级农（渔）场设境内。
2000年第五次全国人口普查，益阳市总人口4309143人；其中：资阳区397767人，赫山区831114人，南县703823人，桃江县775444人，安化县900759人，沅江市700236人。
2005年末，益阳市辖2个市辖区、3个县，代管1个县级市；全市共有9个街道、69个镇、15个乡、1个民族乡。