汉设沓氏县。唐隶积利州。金、元辖于金州和复州。明初改旅顺口，1945年建旅顺市。1949年10月至1960年1月，旅顺市隶属旅大市。1960年1月7日，国务院批准撤销旅顺市建制，建立旅大市旅顺口区。1981年3月至今为大连市市辖区。
1950年8月19日，各区改以数序称谓，市区改为第一区，铁山区为第二区，双岛区为第三区，三涧区为第四区，中心区（水师营）为第五区，龙塘区为第六区。1951年11月，将第一区（原市区）所辖的12个坊，并为11个，即：大众、启明、文英、惠民、建新、得胜、发和、新华、元宝、孙家沟、赵家沟坊。1953年3月，改革区、街体制，将城市区下设的坊改为街道居委会，后又改为街道办事处，到1954年底基本完成。
1955年6月，撤销市内区，建登峰、市场、得胜、光荣4个街道。1956年2月开始，撤区划乡，撤销所辖农村区建制，将原5个区所辖96个村划为土城子、柳树房、石灰窑、长岭子、水师营、龙头、盐场、黄泥川、北海、江西、龙塘、山头、台山、英歌石、方家、柏岚子、鸦鸬嘴、南山里乡18个乡，共17910户，92840人。1958年6月，18个乡并为5个乡。至1958年末，撤销乡建制，建立铁山、双岛、三涧堡、水师营、龙塘5个农村公社。
1959年8月，撤销大辛寨子区后，将其原辖营城子公社划归旅顺市（至1963年2月又改归甘井子区）。1961年，调整社队规模，将农村6个公社改为铁山、江西、双岛湾、北海、三涧堡、长城、水师营、龙头、龙塘、营城子等10个公社，下属124个生产大队。1976年末，旅顺口区辖1个城市公社（海鹰）、9个农村公社（铁山、三涧堡、龙塘、北海、龙头、水师营、江西、长城、双岛湾）和旅顺口区农场。
1983年，以原9个公社范围划为9个乡，即铁山、三涧堡、龙塘、北海、龙头、水师营、江西、长城、双岛湾9个乡；将原生产大队改为村，设村委会，生产队改为村民小组。1985年，撤销双岛、龙塘、长城、龙头、江西、铁山、三涧堡7个乡，设立双岛、龙塘、长城、龙头、江西、铁山、三涧堡7个镇；全区还辖北海、水师营2个乡以及旅顺国营农场、大连市奶牛场。1986年，撤销水师营乡，设立水师营镇。1990年末，旅顺口区辖登峰、市场、得胜、光荣4个街道，铁山、江西、双岛湾、长城、龙头、龙塘、三涧堡、水师营8个镇以及北海乡、旅顺农场，共有67个居委会、81个村委会，602个居民小组、283个村民小组。
1995年12月10日，省政府批复同意撤销北海乡，设立北海镇。1998年11月30日，省政府（辽政[1998]163号）批复同意撤销水师营镇，设立水师营街道。至1998年末，旅顺口区辖5个街道、8个镇，共有52个行政村。1999年11月18日，撤销龙塘镇，设立龙王塘街道（辽政[1999]246号）。调整后，旅顺口区辖6个街道、7个镇：得胜街道、光荣街道、登峰街道、市场街道、龙王唐街道、水师营街道；江西镇、双岛湾镇、三涧堡镇、长城镇、龙头镇、北海镇、铁山镇。
2000年第五次人口普查，旅顺口区常住总人口264998人，其中：登峰街道22159人，市场街道25982人，得胜街道33003人，光荣街道16445人，水师营街道30230人，龙王塘街道20295人，铁山镇26147人，江西镇11734人，双岛湾镇15495人，北海镇7518人，三涧堡镇19216人，长城镇13780人，龙头镇8193人，经济开发区10748人，大连市奶牛场4053人。
2002年6月，全区辖6个街道、7个镇，24个社区、71个行政村，面积506.80平方千米，人口约20.78万人，区政府驻黄河路24号。2002年11月25日，省政府（辽政[2002]295号）批复同意：撤销铁山镇，设立铁山街道；撤销江西镇，设立江西街道。调整后，旅顺口区辖8个街道、5个镇：得胜街道、光荣街道、登峰街道、市场街道、龙王唐街道、水师营街道、铁山街道、江西街道；双岛湾镇、三涧堡镇、长城镇、龙头镇、北海镇。
2003年12月，旅顺口区政府驻地由黄河路24号迁至水师营街道小南村郭水西路1号（即新城大街1号）。2006年1月12日，区政府（旅政发[2006]4号）批复同意将江西街道高家村（含大东、北刘两个自然村）区划调整为旅顺经济开发区管理。2006年1月17日，省政府批复同意：撤销三涧堡镇、北海镇、双岛湾镇、龙头镇和长城镇，设立三涧堡街道、北海街道、双岛湾街道、龙头街道和长城街道。
2010年第六次人口普查，旅顺口区常住总人口324773人，其中：登峰街道30226人，市场街道24042人，得胜街道34046人，光荣街道18106人，水师营街道35537人，龙王塘街道16225人，铁山街道28613人，双岛湾街道14551人，三涧堡街道20240人，长城街道13824人，龙头街道29421人，北海街道7166人，旅顺经济开发区49964人，大连奶牛场2812人。