大武口明代称“打硙口”，意为“打凿石磨的山口”。其地理位置重要，古人曾有“求久按之计，须选修打硙口”之说。1943年，民国宁夏省建设厅长李翰园至此，看到“打硙口学堂”，认为名称不雅，遂改名为大武口，意为武士们在这里打过仗。石炭井明代称为“上迭里口”，蒙语音译为产石炭的地方。民间称此为石炭沟，1941年改今名。
1943年时，大武口原属平罗县第四乡。1949年宁夏解放后属平罗县第一乡。1955年，撤区并乡，属大武口乡。1958年，人民公社化，改称大武口公社。1961年，大武口公社划小，仍称大武口公社。1962年9月，平罗县在石炭井组建了包括大武口沟口在内的大武口镇，驻石炭井。1963年7月，将平罗县的大武口镇（驻石炭井）和大武口公社划归石嘴山市。1968年，大武口镇驻地迁到大武口，石炭井设立石炭井街道办事处，为镇里派出机构。
1970年10月，撤销石炭井街道办事处，将石炭井从大武口镇划出，组建为石嘴山市石炭区。1973年6月，石炭区更名为石炭井区。1972年，银北地区成立，大武口镇为银北地区机关所在地。1973年，大武口镇升格为大武口区。1975年11月，银北地区撤销，石嘴山市改为省直接领导，驻地迁至大武口，下设一区（大武口区）、二区（石嘴山城区）、三区（石炭井区）。1981年，三个区以驻地更名，即大武口、石嘴山、石炭井3个区。
1996年，大武口区面积66平方千米，人口约10.3万人，区政府驻朝阳街，辖4个街道、1个乡：朝阳街道、长城街道、人民路街道、长胜街道、大武口乡。石炭井区面积338平方千米，人口约7.5万人，区政府驻新华北街，辖4个街道：新华北街街道、新华南街街道、白芨沟街道、沟口街道。
2000年第五次人口普查，大武口区常住总人口133168人，其中，长胜街道18835人，朝阳街道63515人，人民路街道38756人，长城街道7146人，大武口乡4916人。石炭井区常住总人口60389人，其中，新华北街街道21338人，新华南街街道11811人，白芨沟街道19139人，沟口街道8101人。
2002年10月19日，国务院（国函〔2002〕96号）批复同意调整石嘴山市部分行政区划：（1）撤销石嘴山市石炭井区，划归大武口区管辖。（2）将平罗县的隆湖吊庄乡及崇岗乡的长胜、九泉、潮湖3个村划归大武口区管辖。
2004年6月，撤销大武口乡。2008年1月设立星海街道，2009年10月更名为锦林街道。2009年2月，设立星海镇（前身为1983年设立的隆德县移民吊庄，1992年成立宁夏隆湖扶贫经济开发区）。
2010年第六次人口普查，大武口区常住总人口286669人，其中，长胜街道23069人，朝阳街道49490人，人民路街道37051人，长城街道36932人，青山街道47781人，石炭井街道9748人，白芨沟街道8212人，沟口街道6451人，长兴街道10273人，锦林街道14907人，星海镇（隆湖经济开发区）42755人。
【参考资料：《宁夏现代政区变迁沿革》（冯茂著，宁夏人民出版社，1998年9月第1版）、《中国政区大典》等】