自秦到清属钱塘县（隋开皇九年改为杭州），民国初年属杭县，1927年为杭州市西湖区，1934年为第四区。1949年5月改西湖区。1952年11月10日设立古荡区，1955年5月撤销古荡区并入西湖区。
1958年4月杭州市委决定，市园林管理局与西湖区人民委员会合署办公。1961年3月，市委决定市园林管理局从西湖区（公社）划出由市直接领导；并将钱塘联社的上泗公社划入西湖区。同年5月，余杭留下公社的九个生产大队和留下镇划入西湖区管辖。
1969年3月，撤销西湖区，建立杭州市郊区。1972年12月，以市园林管理局为基础恢复西湖区（与市园林管理局两块牌子，一套班子）。1977年10月，西湖区与市园林管理局分开，郊区与西湖区合并为西湖区。
1987年末，西湖区面积228.38平方千米，占杭州市区总面积的53.11%。总人口301824人，其中农村人口114984人。辖北山、南山、灵隐、西溪、翠苑5个街道，祥符、古荡、留下、转塘4个镇和西湖、龙坞、袁浦、周浦4个乡。1995年袁浦乡撤乡建镇。
1996年5月9日，经国务院批准，将萧山市浦沿、长河、西兴镇和余杭市三墩镇划归西湖区管辖。5月24日，经浙江省民政厅批准，将西湖区西兴镇的东湘、杜湖、湖头陈3个行政村划归萧山市城厢镇管辖。7月24日，杭州市政府决定，将余杭市三墩经济区蒋村办事处随区划调整转为杭州市西湖区蒋村办事处，作为区政府派出机构。至此，西湖区辖北山、南山、西溪、灵隐、翠苑5个街道，蒋村办事处，古荡、留下、祥符、三墩、转塘、袁浦、浦沿、长河、西兴9个镇和西湖、周浦、龙坞3个乡，总面积403.2平方千米。
1996年12月12日，经国务院批准，将西湖区的祥符镇划归拱墅区管辖；将浦沿、长河、西兴三镇划归滨江区管辖。12月30日，经浙江省民政厅批准，将蒋村办事处改为乡建制（1997年9月23日正式成立）。1997年12月28日，经省民政厅批准，将龙坞乡改为镇建制。全区辖5个街道、6个镇、3个乡，总面积312.91平方千米。
1998年8月19日，杭州市民政局批准同意将蒋村乡的骆家庄、五联村划出设立文新街道。1998年末，全区总人口434793人，其中农业人口127034人。
2000年第五次人口普查，全区总人口593324人，其中：南山街道9395人、北山街道36810人、灵隐街道54551人、西溪街道91939人、翠苑街道79168人、文新街道43394人、古荡镇49545人、留下镇34198人、转塘镇39155人、袁浦镇28849人、龙坞镇12589人、三墩镇52046人、西湖乡23292人、周浦乡21707人、蒋村乡15753人、之江度假区933人。
2000年末，全区人口47.06万人。辖北山、南山、西溪、灵隐、翠苑、文6个街道，古荡、留下、龙坞、转塘、袁浦、三墩6个镇和西湖、周浦、蒋村3个乡，142个行政村、125个居民区。2001年末，全区共有55个社区、25个居民区、142个行政村。
2002年4月，《杭州市人民政府关于西湖区部分行政区划调整的批复》同意西湖区进行区划调整：撤销古荡镇、西湖乡、南山街道，设立古荡街道、西湖街道（4月30日实施）。古荡街道面积4.6平方千米，辖9个社区、9个股份制经济合作社，人口3.3万人；西湖街道面积44.53平方千米，辖5个社区、9个村，人口1.5万人。9月19日，市委、市政府决定调整杭州西湖风景名胜区、西湖区和杭州之江国家旅游度假区管理体制，杭州西湖风景名胜区管委会与市园文局实行“一套班子、两块牌子”的管理体制，将西湖区的西湖街道（不包括珊瑚沙社区），灵隐街道的金沙港社区，以及北山街道的栖霞岭社区沿北山路以南部分包括孤山、苏堤、白堤，交由杭州西湖风景名胜区管委会托管。11月管理体制调整后，西湖区、之江国家旅游度假区实行统一管理，西湖街道（包括原南山街道）委托市园文局（市风景名胜区管委会）管理。
2002年末，全区总面积263平方千米，人口51.84万人。辖7个街道、5个镇、2个乡：北山街道、灵隐街道、西湖街道、西溪街道、翠苑街道、文新街道、古荡街道、留下镇、转塘镇、三墩镇、袁浦镇、龙坞镇、蒋村乡、周浦乡。共有83个行政村、93个居委会（另一数据：共有55个社区、18个居民区、140个行政村）。2003年末，全区共有110个社区、3个居民区、80个行政村。2004年末，全区共有122个社区、3个居民区、64个行政村。
2007年，根据《浙江省人民政府关于杭州市西湖区部分行政区划调整的批复》（浙政函[2007]147号）和《杭州市人民政府关于西湖区部分行政区划调整的批复》（杭政函[2007]188号）文件精神，西湖区行政区划进行如下调整： 一、撤销袁浦镇、周浦乡建制，合并设立双浦镇，并将转塘镇何家埠、回龙2个行政村划归双浦镇管辖。调整后，双浦镇辖2个社区、30个行政村，镇政府暂驻袁浦街99号。 二、撤销转塘镇、龙坞镇建制，合并设立转塘街道办事处，并将灵隐街道办事处珊瑚沙、五云2个社区划归转塘街道办事处管辖。调整后，转塘街道办事处辖25个社区、16个行政村，街道办事处暂驻转塘直街7号。 三、灵隐街道办事处划出珊瑚沙、五云2个社区，调整后，灵隐街道办事处辖4个社区、9个行政村，街道办事处驻地不变(灵隐路18-3号)。 四、蒋村乡登云圩社区划归文新街道办事处管辖。调整后，文新街道办事处辖12个社区，街道办事处驻地不变(文三西路428号)。 五、撤销蒋村乡建制，设立蒋村街道办事处。调整后，蒋村街道办事处下辖12个社区、1个行政村，街道办事处驻地不变(文一西路788号)。 六、撤销留下镇建制，设立留下街道办事处。调整后，留下街道办事处下辖9个社区、2个行政村，街道办事处驻地不变(留下街128号)。 调整后，西湖区由原先7个乡镇、6个街道调整为2个镇、10个街道，分别是双浦镇、三墩镇；转塘街道、留下街道、蒋村街道、西湖街道、灵隐街道、西溪街道、翠苑街道、文新街道、古荡街道、北山街道。西湖区原7个乡镇的辖区面积平均为32.92平方千米，人口3.18万人。10月27日，双浦镇、转塘街道正式挂牌成立。