温州古称瓯，瓯江口习称瓯海。1981年12月12日国务院批准同意设立瓯海县，由温州市领导。以原温州市的梧埏、永强、三溪、藤桥、西岸5个区、3个镇、24个公社为瓯海县的行政区域，县政府驻温州市。1992年3月9日民政部（民行批[1992]24号）批复同意撤销瓯海县，设立温州市瓯海区。原县辖的5个区公所同时撤销。瓯海区辖16个乡、17个镇和1个街道办事处，区政府驻景山街道。
1997年，瓯海区面积897.7平方千米，人口55.9万人。辖1个街道、18个镇、7个乡：景山街道、永中镇、灵昆镇、海滨镇、永昌镇、永兴镇、沙城镇、天河镇、茶山镇、南白象镇、梧埏镇、娄桥镇、潘桥镇、新桥镇、郭溪镇、瞿溪镇、藤桥镇、临江镇、泽雅镇、三垟乡、上戌乡、岙底乡、双潮乡、五凤垟乡、北林垟乡、西岸乡。区政府驻景山街道兴海路。
2000年第五次人口普查，瓯海区总人口835607人，其中（1个街道、15个镇、7个乡）：景山街道31002人，梧埏镇122337人，南白象镇26950人，茶山镇28857人，瞿溪镇33979人，娄桥镇44846人，郭溪镇68121人，潘桥镇43319人，新桥镇64891人，永中镇161444人，天河镇34426人，沙城镇41277人，灵昆镇17457人，藤桥镇27325人，临江镇14133人，泽雅镇15868人，三垟乡22327人，双潮乡8979人，岙底乡3406人，上戍乡13880人，五风垟乡3975人，北林垟乡3357人，西岸乡3451人。
2001年，将瓯海区的藤桥镇、上戍乡、临江镇、双潮乡、岙底乡和梧埏镇的划龙桥村、上田村、鱼鳞浃村、前网村划归鹿城区管辖；将瓯海区的永中镇、灵昆镇、天河镇、沙城镇划归龙湾区管辖；将瑞安市的仙岩镇、丽岙镇划归瓯海区管辖；瓯海区人民政府驻地由景山街道迁至娄桥镇。瓯海区面积从917平方千米减到614.5平方千米，人口从58.62万减到37.84万（温州年鉴是375907人，其中非农业人口44932人）。辖1个街道、11个镇、4个乡，24个居委会、251个行政村。
2002年，全区辖1个街道、11个镇、4个乡，24个居民区、251个行政村。
2003年11月24日，浙政函[2003]192号批复，同意温州市瓯海区行政区划调整：（1）撤销西岸乡、五凤垟乡、北林垟乡建制，并入泽雅镇。调整后，泽雅镇辖81个行政村、2个居民区，镇政府驻地不变（源口村）。（2）撤销新桥镇、娄桥镇、梧埏镇、南白象镇、茶山镇、三垟乡建制，其行政区域改由瓯海区政府直辖。在此范围内调整设立若干街道办事处等事宜，由温州市按照有关规定办理。此次行政区划调整后，泽雅镇下辖81个村、2个居委会，总面积145.43平方千米，总人口5.96万，镇政府驻地源口村；瓯海区辖瞿溪、郭溪、潘桥、泽雅、丽岙、仙岩6个镇和若干街道办事处。12月11日，温政发[2003]37号批复：（1）设立新桥街道办事处：管理原新桥镇5村、5居，办事处驻站前路（原新桥镇政府驻地）。（2）设立娄桥街道办事处：管理原娄桥镇15村、1居，办事处驻娄桥村振兴街3号（原娄桥镇政府驻地）。（3）设立梧田街道办事处：管理原梧埏镇13村、2居，办事处驻梧埏街村梧埏大道（原梧埏镇政府驻地）。（4）设立南白象街道办事处：管理原南白象镇7村、1居，办事处驻鹅湖村新象街1号（原南白象镇政府驻地）。（5）设立茶山街道办事处：管理原茶山镇14村、1居，办事处驻茶山村梅泉路90号（原茶山镇政府驻地）。（6）设立三垟街道办事处：管理原三垟乡11村，办事处驻垟河村三垟大道897号。以上6个新设街道和新泽雅镇于12月30日正式挂牌。
2008年末，全区面积614.5平方千米，人口40.74万人，其中非农7.41万人，辖7个街道、6个镇，16个社区、12个居民区、251个行政村。
2011年，根据《浙江省人民政府关于温州市瓯海区部分行政区划调整的批复》（浙政函[2011]122号）、《温州市人民政府关于瓯海区部分行政区划调整的批复》（温政函[2011]57号）精神，瓯海区部分行政区划作如下调整：撤销潘桥镇、郭溪镇、瞿溪镇、丽岙镇、仙岩镇建制，设立潘桥街道办事处、郭溪街道办事处、瞿溪街道办事处、丽岙街道办事处、仙岩街道办事处。调整后，瓯海区辖景山、新桥、娄桥、梧田、三垟、南白象、茶山、潘桥、郭溪、瞿溪、丽岙、仙岩等12个街道办事处和泽雅镇1个镇；潘桥街道面积57.4平方千米、人口41526人，郭溪街道面积42.6平方千米、人口38934人，瞿溪街道面积35.3平方千米、人口25349人，丽岙街道面积34.7平方千米、人口22060人，仙岩街道面积37.0平方千米、人口40001人。