境内石峰山域建有石峰公园，故区以此命名。据清末光绪14年《湘潭县志》载，现辖区城区部分为湘潭县东南荒僻野岭，仅于白石港、清水塘设有通往湘潭、长沙等地驿站。民国时期白石港以北属湘潭县东一区昭阳乡管辖，白石港以南属株洲镇管辖。解放初属湘潭县一区。1951年设株洲县级市时，属郊北区；1956年撤区并乡，境内属清水乡。1957年成立人民公社，境内属朱田铺公社管辖。1958年3月27日成立清水塘办事处，管辖石峰山以北的城区范围，办事处驻地在冶炼厂生活区一区八栋。
1959年3月6日株洲市下设5个区，组建清水塘区，桥梁厂以北归清水塘区管辖。1960年4月更名为清水塘人民公社。1969年8月，经国务院批准，株洲市下设城郊4个县级区时，因现辖区城区部分地处市北，故为株洲市北区，管辖范围为原清水塘区和原中心区的贺家土办事处，驻地天桥街80号。同年12月成立株洲市北区革命委员会。1971年9月，区政府搬至建设北路70号。
1997年5月31日，国务院批准（国函[1997]40号）：设立石峰区，辖原北区的响石岭、清水塘和原东区的田心3个街道，原郊区的龙头铺镇（不含茶园、东流、三搭桥3个村）和清水、云田、荷花3个乡和荷塘铺乡的新民、田心、双丰3个村。区人民政府驻建设北路。7月，湖南省人民政府批复同意调整株洲市市辖区行政区划：石峰区东以白石港河（老河）为界，南以湘江河为界，北以株洲市与各省市界线为界，西以株洲市与湘潭市界线为界。2000年，石峰区辖3个街道、1个镇、3个乡：响石岭街道、贺家土街道、清水塘街道、荷花乡、龙头埔镇、清水乡、云田乡。
2000年第五次人口普查，石峰区总人口272258人，其中：田心街道65123人、响石岭街道74914人、清水塘街道65788人、龙头铺镇22439人、清水乡9931人、荷花乡14437人、云田乡19626人。
2001年10月16日，经省民政厅批准，清水、荷花两乡合并，成立白马乡（注：原清水乡属原郊区，1958年设公社，1984年改乡，1997年划归石峰区管辖）。调整后，石峰区辖3个街道、1个镇、2个乡。2003年4月23日，区人民政府整体搬迁到响田路先锋村新楼办公。
2005年1月24日，湖南省民政厅《关于石峰区行政区划调整的批复》（湘民行发［2005］8号）：一、同意撤销白马乡。将原白马乡的大华、大冲、九塘、白马、湘天桥5个建制村划入清水塘街道办事处；将原白马乡的清水、响石、先锋、新桥、霞湾、长石、建设7个建制村划入响石岭街道办事处；将原白马乡的荷花、袁家冲、茅塘3个建制村划入田心街道办事处。二、同意将龙头铺镇的双丰、田心、新民、井龙、横石5个建制村划入田心街道办事处。行政区划调整后，清水塘街道办事处辖11个社区、5个建制村，总面积23.1平方千米，总人口7.45万人，办事处驻湘天桥路80号；响石岭街道办事处辖15个社区、7个建制村，总面积28.68平方千米，总人口8.31万人，办事处驻建设北路57号；田心街道办事处辖9个社区、8个建制村，总面积28.06平方千米，总人口8.7万人，办事处驻田心北门；龙头铺镇辖11个建制村，总面积28.06平方千米，总人口2.19万人，镇人民政府驻龙头铺。1月28日，株洲市人民政府（株政办发[2005]3号）批复同意石峰区行政区划调整。
2005年，石峰区撤销1个乡，增加2个街道办事处，调整1个镇、3个街道办事处的部分行政区域：撤销白马乡；增设塘湾、井龙2个街道办事处；调整龙头铺镇及清水塘、响石岭、田心3个街道办事处的部分行政区域。具体调整如下：撤销白马乡，将其5个建制村划入清水塘街道办事处，7个建制村划入响石岭街道办事处，其余3个建制村划入田心街道办事处；将龙头铺镇的5个建制村划入田心街道办事处；设立塘湾、井龙2个街道办事处。调整后，石峰区辖5个街道、1个镇、1个乡：田心街道、响石岭街道、清水塘街道、塘湾街道、井龙街道、龙头铺镇、云田乡。区政府驻响田路先锋村。
2009年4月18日，株洲云龙示范区管委会正式挂牌成立，管理云田、龙头铺两镇和学林办事处，总面积105.8平方公里，总人口6万余人。