境内大罗山脉蜿蜒而向东北，犹如巨龙入江，龙湾以此得名。民国时期属永嘉县。1961年分属状元、龙湾公社。1984年12月27日浙江省人民政府批准成立龙湾区。
1997年，龙湾区面积61.4平方千米，人口8.5万人。辖5个镇：蒲州镇、状元镇、龙湾镇、瑶溪镇、龙水镇。区政府驻状元镇。2000年第五次人口普查，龙湾区总人口204935人，其中：状元镇83935人，蒲州镇62598人，龙湾镇25589人，瑶溪镇15716人，龙水镇17097人。
2001年，将龙湾区蒲州镇的蒲州村和上蒲州村划归鹿城区管辖；将瓯海区的永中镇、灵昆镇、天河镇、沙城镇划归龙湾区管辖；将瑞安市塘下镇的上涂、西一、中星、东门、埭头、石坦、屿门、邱宅、东溪、东成10个村委会和前冈、后冈2个居委会划归龙湾区管辖；龙湾区人民政府驻地由状元镇迁至永中镇。龙湾区面积从61平方千米增到279.02平方千米，人口从8.93增到29.77万。
2002年，龙湾区进行行政区划调整：一、撤销龙湾镇建制，其行政区域与瑶溪镇合并，并将龙水镇的朱宅村划入，设立新的瑶溪镇。新的瑶溪镇辖19个行政村，镇政府驻地定址朱宅村。二、撤销永中镇、龙水镇、蒲州镇建制，其行政区域改由龙湾区政府直辖。在此区域及原区直辖的东溪、埭头、上涂、屿门、石坦、邱宅、东成、东门、中星、西一10个行政村和前冈、后冈2个居民区范围内设立以下5个街道办事处：（1）永中街道办事处：辖原永中镇的沧河、镇南、普门、寺西、上京、镇北、桥北、石浦、棋盘、城北、衙前、朱土羊、郑宅、刘宅、度山、前街、殿前、城南、新城、丰台、坦头、孙土羊、双岙、新莒24个行政村，街北、街南、罗东、永昌、永上5个居民区，原龙水镇的青山、东林、横浃、新联、下湾、龙华、王宅、联谊、双河、上湾10个行政村。新设立的永中街道办事处辖34个行政村、5个居民区。区域范围：东至海滨街道沙中村，南至沙城镇钟桥村，西至瑶溪镇、瓯海区，北至瑶溪镇龙东村。街道办事处驻镇南村。（2）海滨街道办事处：辖原永中镇的宁村、教新、沙中、沙北、小陡、北新、蓝田、江一、沙南、蟾钟、渔池、建新、城东13个行政村和海滨居民区。新组建的海滨街道办事处辖13个行政村、1个居民区。区域范围：东至瓯江，南至永兴街道五溪村，西至永中街道沧河村，北至瑶溪镇黄石村。街道办事处驻沙中村。（3）永兴街道办事处：辖原永中镇的萼芳、沙园、榕树下、南桥北、下兴、水潭、永民、永乐、乐一、乐二、祠南、大塘、小塘、五溪14个行政村和永兴居民区。新组建的永兴街道办事处辖14个行政村、1个居民区。区域范围：东至瓯江，南至沙城镇八甲村南城路，西至永中街道下土羊河，并、北至海滨街道蟾钟村。街道办事处驻乐二村。（4）蒲州街道办事处：辖原蒲州镇6个行政村。区域范围：东至状元镇，南至状元镇、瓯海区，西、北至鹿城区。街道办事处驻下埠村。（5）海城街道办事处：辖原区直属管辖的东溪、埭头、上涂、屿门、石坦、邱宅、东成、东门、中星、西一10个行政村和前冈、后冈2个居民区。区域范围：东至瓯江，南、西至瑞安市，北至天河镇。街道办事处驻上涂村。行政区划调整后，龙湾区辖永中、蒲州、海滨、永兴、海城5个街道办事处，状元、瑶溪、沙城、天河、灵昆5个镇，15个居民区、147个行政村，面积279.02平方千米，人口29.89万人（《温州年鉴》：年末303452人，其中非农业人口46821人）。【《浙江省政府关于温州市龙湾区行政区划调整的批复》浙政函[2002]15号，温州市政府2002年2月5日批文】
2006年底，龙湾区辖5个街道、5个镇：永中街道、海滨街道、永兴街道、蒲州街道、海城街道、状元镇、瑶溪镇、沙城镇、天河镇、灵昆镇。共有2个社区、15个居民区、147个行政村。区政府驻永强大道。
2008年末，全区面积279平方千米，总人口32.4万人，其中非农人口5.8万人，辖5个街道、5个镇，3个社区、14个居民区、147个行政村（本年新增1个社区、减少1个居民区）。
2011年，根据《浙江省人民政府关于温州市龙湾区部分行政区划调整的批复》（浙政函[2011]32号）精神，龙湾区行政区划作如下调整：一、撤销状元镇建制，在原状元镇行政区域内设立状元街道办事处。状元街道办事处辖2个社区、1个居民区、10个行政村。街道办事处驻龙飞路78号。二、撤销瑶溪镇建制，在原瑶溪镇行政区域内设立瑶溪街道办事处。瑶溪街道办事处辖1个居民区、19个行政村。街道办事处驻河头龙西路2号。三、撤销沙城镇建制，在原沙城镇除滨海大道以东11.9平方公里之外的行政区域内设立沙城街道办事处。沙城街道办事处辖1个居民区、15个行政村。街道办事处驻永强大道2968号。四、撤销天河镇建制，在原天河镇除滨海大道以东4.9平方公里之外的行政区域内设立天河街道办事处。天河街道办事处辖1个居民区、17个行政村。街道办事处驻环镇路1号。五、撤销灵昆镇建制，在原灵昆镇行政区域内设立灵昆街道办事处。灵昆街道办事处辖1个居民区、9个行政村。街道办事处驻沙塘村。六、调整永兴街道办事处行政区域，将原沙城镇滨海大道以东1.9平方公里的行政区域划入永兴街道办事处。永兴街道办事处辖1个居民区、14个行政村。街道办事处驻纪兴路1号。七、设立星海街道办事处。以原沙城镇滨海大道以东10平方公里的行政区域和原天河镇滨海大道以东4.9平方公里的行政区域，设立星海街道办事处。新设立的星海街道办事处辖2个社区。街道办事处驻滨海园区滨海六路旭日小区25幢。调整后，龙湾区辖蒲州、永中、海滨、海城、状元、瑶溪、沙城、天河、灵昆、永兴、星海等11个街道办事处。
2015年，将龙湾区灵昆街道划归洞头区管辖。