城区辖区原属平定县。20世纪初还是一片风沙迷漫、乱石纵横的荒滩，名“沙江口”。清光绪三十一年，正太铁路铺设到此并设阳泉站。至解放前夕，阳泉站区尚不足1平方千米，街道总长也仅1千米有余，总人口不足两万人。
民国36年（1947年）5月2日，阳泉解放，随后设阳泉市。市下设一、二、三区党的委员会和人民政府。同年7月，一、二区合并为一区（现城区前身）。先后改称阳泉镇、三区、站上区。
1952年，阳泉市改由省直辖，同时设立第一区、第二区。1956年，第一区更名为站上区，第二区更名为荫营区。站上区因阳泉火车站得名。1957年，站上区与荫营区合并为郊区（1958年撤销）。1958年设立站上公社，1963年复改站上区，1969年1月更名为城区。
1996年，全区面积16平方千米，人口约16万人。辖上站、下站、北大街、南山路、义井、坡底6街道，110个居委会。区府驻南大街。
2000年第五次人口普查，城区常住总人口164288人，其中，上站街道46119人，下站街道27498人，北大街街道25639人，南山路街道50199人，义井街道10922人，坡底街道3911人。
2003年末，城区总人口18.8万人，人口密度为每平方千米9750人。辖上站、下站、北大街、南山路、义井、坡底6个街道，共有44个社区。
2010年第六次人口普查，城区常住总人口193106人，其中，上站街道55628人，下站街道25197人，北大街街道34374人，南山路街道64821人，义井街道10391人，坡底街道2695人。
2015年末，城区常住人口197027人。辖6个街道，46个社区。
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