西汉时置绵诸、上圭2县。唐为秦州上圭县。元为秦州成纪县。明废成纪入秦州。清雍正七年（1729年），秦州升为直隶州，隶甘肃承宣布政使司。民国二年（1913年）2月，秦州直辖地改为天水县，治今天水市区，隶属甘肃省陇南道（不久改称渭川道）；三岔厅建置保留，撤州判署，设警察分厅。民国16年（1927年），改渭川道为渭川区行政公署。民国24年（1935年）改为甘肃省第四区行政督察专员公署，驻天水县（今天水市）。
1949年8月3日，成立天水县人民政府，县治设今天水市，隶天水行政督察专员公署。9月初，成立了天水市人民政府，管辖原县城及近郊区，县城以外农村为天水县。今麦积区境属天水县。1950年2月，西北军政委负会正式行文批准设立天水市（县级建置），治今天水市，天水县移治天水井（今秦州区天水郡村）。1958年12月，天水县并入天水市。1961年12月，县、市分设，恢复天水县建制，县治设今秦州区天水郡，1962年7月迁北道埠（今麦积城区）。
1984年9月，县级天水市改为副地级市，划原天水市5个乡7个办事处设立秦城区，划原天水县马跑泉、甘泉、麦积、二十里铺、社棠5乡和北道镇设置北道区（二区均为县级建置，时称区公署，为市政府的派出机构），其余乡仍组成天水县，县、区均隶天水市。1985年4月，北道区撤销，属地仍归天水县。同年7月，国务院批准撤销天水地区和天水县，天水市升为地级市，设立秦城、北道两个县级区。原天水县西南部17个乡划归秦城区（今秦州区），其余22个乡镇及北道镇组建北道区。
1996年，秦城区面积2392平方千米，人口58.7万人。辖7个街道、22个乡：大城街道、中城街道、东关街道、七里墩街道、天水郡街道、西关街道、石马坪街道、娘娘坝乡、汪川乡、环城乡、吕二沟乡、杨家寺乡、铁炉乡、秦岭乡、太京乡、中梁乡、关子乡、藉口乡、李子乡、牡丹乡、店镇乡、皂郊乡、华歧乡、天水乡、平南乡、齐寿乡、大门乡、苏成乡、玉泉乡。区政府驻民主西路。
2000年第五次人口普查，秦城区常住总人口604070人，其中，大城街道21104人，七里墩街道45545人，东关街道19199人，中城街道14625人，西关街道27797人，石马坪街道31018人，天水郡街道26842人，吕二乡11951人，环城乡11094人，玉泉乡14000人，皂郊乡20750人，中梁乡17065人，太京乡27901人，藉口乡23572人，关子乡23906人，铁炉乡10308人，秦岭乡13915人，牡丹乡24898人，杨家寺乡13882人，华歧乡22242人，天水乡27652人，平南乡36686人，店镇乡13904人，齐寿乡20730人，娘娘坝乡19190人，李子乡6985人，大门乡19884人，汪川乡26857人，苏成乡10568人。
2003年，太京撤乡建镇；……调整后，全区辖7个街道、10个镇、6个乡：大城街道、七里墩街道、东关街道、中城街道、西关街道、石马坪街道、天水郡街道、玉泉镇、太京镇、藉口镇、皂郊镇、汪川镇、牡丹镇、关子镇、平南镇、天水镇、娘娘坝镇、中梁乡、秦岭乡、杨家寺乡、华岐乡、齐寿乡、大门乡，40个社区、596个行政村。总面积2442平方千米，总人口63.86万人。
2004年9月30日，民政部批准（民函[2004]244号）同意天水市秦城区更名为秦州区、北道区更名为麦积区（甘肃省政府2004年11月2日批准 甘政函[2004]99号）。2005年1月1日正式更名。
2008年末，全区面积2442平方千米，辖7个街道、10个镇、6个乡，420个行政村，1755个村民小组。农业人口9.18万户45.03万人（不含城区数据）。
2010年第六次人口普查，秦州区常住总人口643906人，其中，大城街道26022人，七里墩街道55374人，东关街道24427人，中城街道22587人，西关街道40460人，石马坪街道45964人，天水郡街道45209人，玉泉镇44372人，太京镇24387人，藉口镇31956人，皂郊镇32260人，汪川镇32073人，牡丹镇21104人，关子镇24176人，平南镇36181人，天水镇24819人，娘娘坝镇24044人，中梁乡13590人，秦岭乡11731人，杨家寺乡11510人，齐寿乡14906人，华歧乡18473人，大门乡18281人。
2015年，省民政厅批复同意：撤销中梁乡，设立中梁镇（甘民复〔2015〕12号）；撤销大门乡、杨家寺乡、齐寿乡，设立大门镇、杨家寺镇、齐寿镇（甘民复〔2015〕113号）。