红寺堡，原名红寺，因当地红富寺（始建于隋唐，原址位于今红寺堡镇红海村；后被毁，近年重建并改名弘佛寺）而得名。明正德二年（1507年）在“红寺”地方建堡，名红寺堡（今新庄集乡旧寺堡子），为军事要塞。嘉靖十六年（1537年）边防内迁（旧堡废弃），重建新红寺堡（今红寺堡镇团结村），嘉靖四十年（1561年）毁于地震。
1998年9月5日，宁夏回族自治区党委决定：在宁夏回族自治区扶贫扬黄灌溉移民工作领导小组下设红寺堡开发区管理委员会，为自治区政府派出机构，行使县级政府职能。主要搬迁同心、海原、原州、彭阳、西吉、隆德、泾源7县（区）生活在贫困带上的贫困户，是全国最大的扶贫移民开发区。12月，红寺堡开发区管委会临时租用银川审计事务所的房屋（位于银川市解放东街57号）开始办公，并进入红寺堡开发区开展工作；自治区下发《关于成立红寺堡开发区管理委员会有关问题的通知》，明确红寺堡开发区管委会为县级单位。1999年1月，红寺堡开发区管理委员会正式挂牌；3月，管委会由银川迁驻红寺堡开发区双井村办公。
2000年第五次人口普查，红寺堡镇常住人口（下同）25910人，大河乡7997人，沙泉乡10884人，买河乡7084人（以上乡镇为非正式建置，合计51875人）；新庄集乡20029人，石炭沟区4782人。
2001年12月，自治区政府批复同意新设立红寺堡镇、大河乡、沙泉乡、白墩乡、买河乡。红寺堡开发区辖1个镇、6个乡（另外2乡是新庄集乡、红崖乡）。
2002年9月，自治区政府下发《关于红寺堡开发区区域界限的批复》（宁政函〔2002〕137号），划定红寺堡区域总面积为1774.5平方公里；同月，自治区政府（宁政函〔2002〕138号）批复同意将同心县石炭沟（扬黄灌溉）开发区（乡级）成建制划归红寺堡开发区；10月25日，自治区政府（宁政发〔2002〕93号）决定将红寺堡开发区划归吴忠市管理。
2003年7月，乡镇行政区划调整：保留红寺堡镇；撤销红崖乡，并入大河乡；撤销买河乡，并入沙泉乡；撤销新庄集乡、石炭沟开发区，合并设立南川乡，乡政府驻磙磙塘（注：实际仍保留石炭沟开发区）；撤销白墩乡，将二支干以北区域划归红寺堡镇，将二支干以南区域划归新设立的南川乡。
2003年8月，自治区政府下发《关于调整红寺堡开发区与青铜峡市利通区中宁县行政区划的决定》，红寺堡面积扩大到1895.6平方公里。2004年7月，自治区政府同意以盐兴公路北约3.5公里的山脊线为界，将同心县韦州镇巴庄村北部27平方公里的区域划归红寺堡；将盐池县惠安堡镇小泉、乱山子、牛记庄、林小庄4个自然村约76.5平方公里的区域划归红寺堡，两处共计103.5平方公里。至此，红寺堡开发区面积1999平方公里。
2004年8月，吴忠市在红寺堡开发区东部设立太阳山移民开发区管委会（总面积557平方公里，控制面积328平方公里）。2005年1月，撤销沙泉乡，设立太阳山镇，镇政府驻小泉村（同时在原沙泉乡驻地沙泉村设沙泉办事处）。2005年上半年，红寺堡开发区将原来的94个行政村合并为42个。
2006年7月，吴忠市调整太阳山移民开发区管理体制，设立太阳山开发区（实际上由太阳山移民开发区更名）管委会，为市政府派出机构；将红寺堡园区、盐池园区、同心园区和吴忠园区合并为一个园区，直接由太阳山开发区管理；将盐池县惠安堡镇惠安堡村的疙瘩、凤凰台、南梁自然村，同心县韦州镇巴庄村、唐坊梁村，红寺堡区太阳山镇小泉村移交太阳山开发区代管（此后，太阳山镇政府迁驻柳泉村）。
2009年9月30日，国务院（国函〔2009〕122号）批复同意设立吴忠市红寺堡区，以吴忠市红寺堡镇、太阳山镇、大河乡、南川乡的行政区域为红寺堡区的行政区域，区人民政府驻红寺堡镇。10月28日，红寺堡区成立。
2010年上半年，自治区政府先后批复同意调整红寺堡区与相邻县区的行政区划。3月，同意将同心县韦州镇巴庄、塘坊梁两村及甘沟村部分地域（韦州河东岸）划归吴忠市红寺堡区管辖（宁政发〔2010〕35号）；将盐池县惠安堡镇211高速公路－211国道以西地域划归吴忠市红寺堡区管辖（其中惠安堡镇镇区部分以盐湖东南边沿划分，以保持惠安堡镇政府驻地的完整）（宁政发〔2010〕44号）。4月，同意将吴忠市利通区南部，自滚泉起沿滚泉—孙家滩公路向东、经芨芨沟、大白驿子沟至利通区—灵武市界线一线以南地域划归吴忠市红寺堡区管辖（宁政发〔2010〕68号）；将灵武市白土岗乡南部，自灵武市—利通区界线附近，向正东方向至211高速公路一线以南，包括白塔水村南部地域划归吴忠市红寺堡区管辖（宁政发〔2010〕69号）（6月15日举行灵武市与利通区、红寺堡区行政区划调整移交仪式）。至此，红寺堡面积2767平方公里。
2010年第六次人口普查，红寺堡区常住总人口165016人，其中，红寺堡镇73750人，太阳山镇34945人，大河乡25213人，南川乡30760人，红寺堡工业园区管委会348人。
2011年11月，自治区政府（宁政函〔2011〕186号）批复同意：设立新民街道办事处，新设立的新民街道办事处与红寺堡镇合署办公。二、将太阳山镇西部地域划出，设立柳泉乡，乡人民政府驻地柳泉村。三、将南川乡更名为新庄集乡。（2014年1月23日，新庄集乡正式挂牌；2月，柳泉乡正式成立；3月18日，新民街道正式成立）
2013年末，全区总人口179390人，其中回族人口占总人口的61%。辖1个街道、2个镇、3个乡，61个行政村、2个城镇社区。2014年，全区共有5个城镇社区（罗山、鹏胜、创业、振兴、东方社区）、63（一说64）个行政村。