因“迪化”为“启迪教化”之意，有大民族主义色彩，1953年根据政务院关于更改具有歧视少数民族含义的地名的决定，恢复旧名，改为乌鲁木齐市。“乌鲁木齐”，准噶尔蒙古语意为“优美的牧场”（也有认为此说系讹误；一说，系古代和田塞语，意为“柳树林”；另一说系源自“乌—垒（轮）—台”，即唐代的“轮台”一名）。旧为厄鲁特蒙古的游牧地。
乌鲁木齐尚未建成之前，是一片优美的牧场，汉代西域都护府开始派兵在此屯田，隋代始有“互市”活动。公元640年，唐朝政府在天山北麓设置庭州，辖4县，今乌鲁木齐为轮台县（现乌鲁木齐市东南郊乌拉泊水库南侧的古城遗址，即为当时轮台县）。从663年开始，唐朝政府派军至乌鲁木齐河畔屯垦。702年，在庭州设北庭都护府，轮台驻军增加。清朝初年，旧城毁于战火。乾隆二十年（1755年），清政府平定准噶尔贵族叛乱后，在现乌鲁木齐九家湾明故城筑垒驻兵，并将此地正式定名乌鲁木齐。乾隆二十三年（1758年）在今南门外修筑一座土城，此为乌鲁木齐城池的雏形；乾隆二十五年（1760年）乌鲁木齐设同知。乾隆二十八年（1763年），将旧土城向北扩展，达到周长五里四分；竣工时，乾隆命名曰“迪化”。乾隆三十七年（1772年），距迪化城西八里筑“巩宁城”（即老满城），驻满营官兵。三十八年（1773年）设迪化直隶州，亦称满城。同治三年（1864年）巩宁城毁于战火。光绪六年（1880年）在迪化城东筑“新满城”，原迪化城由民商居住，俗称“汉城”。
光绪十年（1884年），清廷决定设立新疆省，定迪化为省会。从此迪化成为新疆的政治中心。民国29年（1940年）成立迪化市政府委员会。民国34年（1945年）11月1日，迪化正式设市并成立市政府。1949年9月25日，新疆和平解放。12月17日，迪化市人民政府成立。重新划分建立7个区，54个街公所。在郊区建立农民协会，并在土地改革的基础上成立3个乡，至此，城乡各级人民政府初步建立。1953年11月20日政务院批准迪化市更名为乌鲁木齐市，1954年2月1日正式更名。
1999年8月10日，国务院批准将乌鲁木齐市南山矿区更名为南泉区。2000年第五次人口普查，乌鲁木齐市常住总人口2081834人；其中：天山区471432人、沙依巴克区482235人、新市区379220人、水磨沟区180654人、头屯河区130146人、南泉区8815人、东山区100796人、乌鲁木齐县328536人。2001年，将全市原有的689个居（家）委会重新调整划定为441个社区。
2002年3月9日，国务院（国函[2002]20号）批准调整乌鲁木齐市南泉区行政区划：（1）将乌鲁木齐市天山区的乌拉泊街道和乌鲁木齐县的达坂城镇、东沟乡、西沟乡、阿克苏乡、柴窝堡乡归乌鲁木齐市南泉区管辖。（2）南泉区更名为乌鲁木齐市达坂城区，区政府驻地由鱼尔沟迁至达坂城镇。
2003年末，乌鲁木齐市总面积10900.77平方千米，总人口1815296人，辖7个市辖区、1个县，54个街道、3个镇、16个乡，466个居委会、110个村委会。2004年末，乌鲁木齐市辖7个市辖区、1个县，54个街道、3个镇、16个乡，468个居委会、97个村委会。
2007年，《自治区人民政府关于调整昌吉回族自治州与乌鲁木齐市行政区划的通知》：根据《国务院关于同意新疆维吾尔自治区调整昌吉回族自治州与乌鲁木齐市行政区划的批复》精神，将昌吉回族自治州米泉市并入乌鲁木齐市，撤销米泉市和乌鲁木齐市东山区，设立乌鲁木齐市米东区。行政区划调整以后，乌鲁木齐市行政区域面积由10900.77平方公里增加到14216.3平方公里。10月，乌鲁木齐市政府决定将原东山区芦草沟乡的葛家沟村、石仁子沟村和涝坝沟村整建制划归水磨沟区管辖；水磨沟区面积增加186平方公里。
2008年10月，《新疆维吾尔自治区政府关于调整乌鲁木齐市达坂城区与吐鲁番地区托克逊县行政区域界线的通知》（新政发[2008]72号）同意将乌鲁木齐市达坂城区的鱼儿沟街道、星火街道428.4平方公里划归吐鲁番地区托克逊县管理，艾维尔沟街道260.6平方公里仍由达坂城区管理。【2009年6月30日，乌鲁木齐市达坂城区与托克逊县关于调整行政区域界线的协议在乌鲁木齐市签订。按照协议，将乌鲁木齐市达坂城区原南山矿区艾维尔沟689平方公里区域内的428.4平方公里划归吐鲁番地区托克逊县管理，新疆焦煤集团4个煤炭矿区和生活区及其以西、以南部分地区的260.6平方公里由达坂城区管理】
2010年第六次人口普查，乌鲁木齐市常住总人口3112559人，其中：天山区696277人，沙依巴克区664716人，新市区730307人，水磨沟区390943人，头屯河区172796人，达坂城区40657人，米东区333676人，乌鲁木齐县83187人。
2011年3月2日，乌鲁木齐市政府（乌政办[2011]40号）通知：自治区政府已同意将乌鲁木齐县青格达湖乡、六十户乡和安宁渠镇的行政区域划归高新技术产业开发区（新市区）管辖。调整后新市区辖区总面积263平方公里，人口55.6万人，辖11个街道办事处、4个乡、1个镇、24个村、84个社区。调整后乌鲁木齐县辖区总面积4212平方公里，人口5.5万人，辖1个镇、5个乡、40个村。调整后，现乌鲁木齐县与头屯河区（北部）的行政区域界线变为新市区与头屯河区的行政区域界线，现乌鲁木齐县与米东区的行政区域界线变为新市区与米东区的行政区域界线。