虹口得名于虹口港，历史悠久，康熙年间《上海县志》上就有虹口之名。清代，分属宝山县、上海县。道光二十八年（1848）后，南境被辟为美租界（后与英租界合称公共租界）。民国34年（1945年）置虹口区，因区片名虹口得名。1949年分别在虹口、四川北路和提篮桥3区设接管委员会，1950年3区分别成立区政府。1956年四川北路区并入虹口区，1960年提篮桥区并入虹口区。
1979年7月，杨浦区玉田新村和宝山县江湾公社工农大队地域划入虹口区。1980年1月新建曲阳路街道。1984年9月划入宝山县江湾镇及大八寺（今大柏树）一带地区。1985年7月新建大八寺街道（后称运光新村街道）。1987年11月新建凉城新村街道。至此，全区辖16个街道、1个镇。
1991年5月，乍浦路、吴淞路2个街道合并为乍浦路街道；横浜桥、长春路2个街道合并为四川北路街道，并将广中街道的虹口体育场和虹口游泳池划入四川北路街道；东长治路、海门路2个街道合并为提篮桥街道。1993年12月，曲阳新村、运光新村2个街道合并为曲阳路街道。至此，全区辖虹镇、同心路、唐山路、嘉兴路、新港路、广中路、曲阳路、四川北路、乍浦路、凉城新村、提篮桥、欧阳路12个街道和江湾镇。
1994年末，全区辖12个街道、1个镇，347个居委会。1995年末，全区辖12个街道、1个镇，349个居委会。1996年7月，撤销嘉兴路、虹镇2个街道，设立新的嘉兴路街道；撤销新港路、唐山路2个街道，设立新的新港路街道；撤销广中路、同心路2个街道，设立新的广中路街道。1996年末，全区辖9个街道、1个镇，348个居委会。1997年末，全区辖9个街道、1个镇，268个居委会。1998年末，全区辖9个街道、1个镇，264个居委会。1999年末，全区辖9个街道、1个镇，266个居委会。
2000年第五次人口普查，虹口区总人口860726人。其中：四川北路街道74097人、乍浦路街道63799人、提篮桥街道91568人、新港路街道101004人、欧阳路街道74442人、曲阳路街道103014人、广中路街道112639人、嘉兴路街道64301人、凉城新村街道80162人、江湾镇95700人。
2000年末，全区辖9个街道、1个镇，271个居委会。2001年末，全区辖9个街道、1个镇，249个居委会。2002年末，全区辖9个街道、1个镇，252个居委会。2003年末，虹口区辖9个街道、1个镇，255个居委会，人口79.20万人。2004年区政府驻地由海南路10号迁指虹镇老街（飞虹路518号）。
2004年6月，虹口区对8个街道、镇所管辖的11个居委会作调整：欧阳路街道的欧一居委会，嘉兴路街道的宝安居委会划归四川北路街道管辖；江湾镇的胜利、镇西二、奎照3个居委会划归凉城新村街道管辖；欧阳路街道欧五居委会管辖的252户居民（华敏公寓）和广中路街道的模一、模二居委会管辖的507户居民及上海外国语大学居民划归曲阳路街道管辖；广中路街道的模一、模二居委会划归欧阳路街道管辖；欧阳路街道的海欧、新陆居委会和新港路街道的飘鹰居委会管辖的金鑫怡苑中部分居民划归嘉兴路街道管辖。
2004年末，全区辖9个街道、1个镇，255个居委会。2005年末，虹口区辖9个街道、1个镇：四川北路街道、提篮桥街道、新港路街道、乍浦路街道、欧阳路街道、广中路街道、凉城新村街道、嘉兴路街道、曲阳路街道、江湾镇，共有250个居委会。
2006年7月20日，上海市政府《关于同意撤销虹口区江湾镇建制设立江湾镇街道办事处的批复》（以沪府[2006]78号），同意撤销虹囗区江湾镇镇建制，设立江湾镇街道办事处，其行政管辖范围为原江湾镇行政区域范围，面积约4.2平方千米。江湾镇街道办事处驻丰镇路300号。2006年末，全区辖10个街道，244个居委会。
2007年末，全区面积23.48平方千米。户籍人口78.96万人。辖10个街道：乍浦路街道、新港路街道、欧阳路街道、曲阳路街道、广中路街道、嘉兴路街道、凉城新村街道、四川北路街道、提篮桥街道、江湾镇街道，共有239个居委会。区政府驻飞虹路518号。
2009年11月，经上海市政府批准，虹口区对区内部分街道行政区划进行调整，撤销乍浦路街道和新港路街道建制，其辖区分别划入四川北路街道、提篮桥街道和嘉兴路街道。撤销乍浦路街道建制，其原1.23平方千米的行政管辖范围中，0.73平方千米划入四川北路街道，0.5平方千米划入提篮桥街道；撤销新港路街道建制，其原1.78平方千米的行政管辖范围中，1.19平方千米划入嘉兴路街道，0.59平方千米划入提篮桥街道。调整后提篮桥街道东至大连路、杨树浦路、秦皇岛路，南至黄浦江、苏州河，西至吴淞路，北至海宁路、周家嘴路，辖区面积约3.45平方千米，办事处驻地在高阳路263号；四川北路街道东至欧阳路、临平北路、四平路、虹口港、海宁路、吴淞路，南至苏州河，西至河南北路、武进路、罗浮路、轨道交通3号线、宝源路、宝山路、东江湾路，北至四川北路、甜爱支路、山阴路、四达路，辖区面积约2.33平方千米，办事处驻地在溧阳路1338号；嘉兴路街道东至大连路，南至周家嘴路，西至虹口港，北至四平路，辖区面积约2.63平方千米，办事处驻地在天宝路868号。调整工作从19日起至年底完成，调整后全区共辖8个街道办事处。
2010年第六次人口普查，虹口区常住总人口852476人，其中：欧阳路街道73328人，曲阳路街道102564人，广中路街道122669人，嘉兴路街道125634人，凉城新村街道98094人，四川北路街道87401人，提篮桥街道113751人，江湾镇街道129035人。
2011年末，虹口区面积23.48平方千米，户籍人口276482户790492人，辖8个街道，230个居委会。
2012年末，虹口区面积23.48平方千米，常住人口84.56万人，其中外来人口18.65万人。辖8个街道：欧阳路街道、曲阳路街道、广中路街道、嘉兴路街道、凉城新村街道、四川北路街道、提篮桥街道、江湾镇街道。共有229个居委会。区政府驻嘉兴路街道飞虹路518号。