夏为大彭氏国。明称徐州，属南京道。清雍正十一年（1733）升徐州为府析置铜山县，以县东北境有铜山（今已沦入湖中），故名。1948年属山东省，1953年复属江苏省。2010年，撤销铜山县，设立徐州市铜山区，并区政府驻铜山镇。
2000年4月1日，徐州市人民政府批准调整铜山县乡镇行政区划：（1）撤销沿湖乡，保留沿湖农场建制，将其政府职能划归柳新镇，实行镇管村体制（不含沿湖农场），镇政府驻柳新村。区划调整后柳新镇行政区域117平方千米，人口8.2万，辖38个村委会。（2）撤销吴邵乡，将其原辖区域并入张集镇，实行镇管村体制，镇政府驻后楼村。区划调整后张集镇行政区域159.1平方千米，人口6.86万，辖29个村委会。（3）撤销毛庄乡、徐庄乡，将这两个乡的原辖区域合并设立徐庄镇，实行镇管村体制，镇政府驻邀庄村。区划调整后徐庄镇行政区域132.6平方千米，人口6.51万，辖38个村委会。（4）撤销太山镇，将其原辖区域并入大许镇，镇政府驻大许村。区划调整后大许镇行政区域129.1平方千米，人口7.22万，辖37个村委会。（5）撤销吴桥乡，将其原辖区域并入单集镇，实行镇管村体制，镇政府驻单集村。区划调整后单集镇行政区域135.2平方千米，人口6.4万，辖33个村委会。（6）撤销吕梁乡，将其原辖区域并入伊庄镇，实行镇管村体制，镇政府驻伊庄村。区划调整后伊庄镇行政区域106.9平方千米，人口4.09万，辖24个村委会。（7）撤销郭集乡，将其原辖区域并入房村镇，实行镇管村体制，镇政府驻房村。区划调整后房村镇行政区域138.15平方千米，人口6.7万，辖36个村委会。（8）保留铜山镇、黄集镇、郑集镇、茅村镇、刘集镇、大彭镇、利国镇、大黄山镇、三堡镇、大庙镇、棠张镇、何桥乡、马坡乡、汉王乡、柳泉乡，其行政区域和乡镇政府驻地不变。（9）县属国营场圃并入邻近乡镇。（10）行政区划调整和，全县辖18个镇、4个乡：柳新镇、张集镇、徐庄镇、大许镇、单集镇、伊庄镇、房村镇、铜山镇、黄集镇、郑集镇、茅村镇、刘集镇、大彭镇、利国镇、大黄山镇、三堡镇、大庙镇、棠张镇、何桥乡、马坡乡、汉王乡、柳泉乡。（何桥乡、马坡乡、汉王乡、柳泉乡撤乡设镇时间尚不清楚）
2000年第五次人口普查，铜山县总人口1262489人，其中：铜山镇61286人，何桥镇43326人，黄集镇54137人，马坡镇47408人，郑集镇47693人，柳新镇81805人，刘集镇58754人，大彭镇58887人，汉王镇50503人，三堡镇45103人，棠张镇54866人，张集镇70072人，房村镇66372人，伊庄镇41571人，单集镇62754人，大庙镇64864人，徐庄镇60383人，大许镇70901人，茅村镇65457人，柳泉镇56791人，利国镇58379人，大黄山镇41177人。
2005年5月18日，国务院批准（国函[2005]41号）将铜山县大黄山镇和大庙镇划归徐州市鼓楼区管辖。行政区划调整后，铜山县行政区域面积1856.6平方千米，人口118.2万，辖20个镇（江苏省人民政府2005年6月15日苏政发[2005]53号文件）。
2009年末，铜山县总面积1877平方千米、总人口37.82万户、124.21万人，其中：铜山镇面积50平方千米、人口170100人，何桥镇面积74平方千米、人口49751人，黄集镇面积83.4平方千米、人口56699人，马坡镇面积69平方千米、人口48799人，郑集镇面积68平方千米、人口50373人，柳新镇面积85平方千米、人口72287人，刘集镇面积83.6平方千米、人口64495人，大彭镇面积76平方千米、人口64782人，汉王镇面积93平方千米、人口52291人，三堡镇面积71.57平方千米、人口45018人，棠张镇面积85平方千米、人口56703人，张集镇面积148平方千米、人口75827人，房村镇面积136平方千米、人口72717人，伊庄镇面积85.6平方千米、人口43468人，单集镇面积132.1平方千米、人口66280人，利国镇面积66.5平方千米、人口57501人，徐庄镇面积132.59平方千米、人口67748人，大许镇面积129平方千米、人口79830人，茅村镇面积83.96平方千米、人口69093人，柳泉镇面积105.2平方千米、人口59195人。（数据来源于《江苏省统计年鉴》）
2010年第六次人口普查，铜山县常住总人口1086564人，其中：铜山镇117820人，何桥镇35118人，黄集镇43038人，马坡镇35358人，郑集镇43021人，柳新镇65258人，刘集镇54785人，大彭镇52219人，汉王镇47205人，三堡镇41091人，棠张镇52985人，张集镇61929人，房村镇54035人，伊庄镇34968人，单集镇50617人，利国镇54960人，徐庄镇56099人，大许镇66563人，茅村镇57649人，柳泉镇51657人，国营沿湖农场10189人。
2010年区划调整时，将将原九里区的义安、利国、张集、垞城、电厂、张双楼、三河尖、拾屯8个街道以及庞庄街道的拾西村和昕昕居委会划入铜山区。
2013年，一、撤销铜山镇，将原铜山镇焦山、同昌、学苑、文沃、樵村、无名山6个居委会区域和桥上村委会区域与汉王镇望城、葛楼、汉沟3个村委会区域合并设立铜山街道办事处，街道办事处驻北京北路21号。二、撤销三堡镇，以原三堡镇的三堡、四堡、新何、黄桥4个居委会区域和潘楼、胜阳2个村委会区域设立三堡街道办事处，街道办事处驻府前街1号。三、将原铜山镇二堡居委会和新庄、驿城、滕寨3个村委会区域与原三堡镇台上、麦楼、龙亭3个居委会区域和榆庄、梁庄、徐村3个村委会区域，以及棠张镇晁湖村委会区域合并，设立新区街道办事处，街道办事处驻北京北路21号。区划调整后，铜山街道办事处行政区域面积52.6平方公里，人口7.2万人，管理6个居委会、4个村委会；三堡街道办事处行政区域面积35.4平方公里，人口2.25万人，管理4个居委会、2个村委会；新区街道办事处行政区域面积64.5平方公里，人口3.91万人，管理4个居委会、7个村委会；汉王镇行政区域面积64.2平方公里，人口4.1万人，辖9个村委会；棠张镇行政区域面积80.3平方公里，人口5.54万人，辖17个村委会。（8月6日苏政复[2013]75号）