据《同官县志》（1944年）载，元宗室益王曾隐居于此，明初以王为姓，故名。1980年设城区，辖9个街道办事处。
1987年城、郊二区调整区划，划入郊区的黄堡、王家河、王益乡三乡，将城区的五一路、焦坪、王石凹三街道及五一路、青年路二街道部分区域划归郊区后成今域；黄堡、王家河二乡分别与黄堡、王家河二街道合并设立黄堡镇和王家河乡。
1996年，城区面积162平方千米，人口20.6万人。辖4个街道1镇2乡：红旗街街道、桃园街道、七一路街道、青年路街道、黄堡镇、王益乡、王家河乡。区政府驻健康路。
2000年1月7日，国务院批准同意铜川市城区更名为王益区；2月18日，陕西省人民政府办公厅下发更名通知同意铜川市城区更名为王益区；4月18日，区政府举行挂牌仪式，正式更名王益区，辖4个街道、1个镇、2个乡：七一路街道、红旗街街道、桃园街道、青年路街道、黄堡镇、王家河乡、王益乡。
2000年第五次人口普查，王益区常住总人口190630人，其中：七一路街道25652人、红旗街街道40992人、桃园街道27193人、青年路街道26055人、黄堡镇37317人、王家河乡22386人、王益乡11035人。
2001年，王益区辖4个街道、1个镇、2个乡：红旗街街道（驻红旗街）、桃园街道（驻体育路）、七一路街道（驻二场巷）、青年路街道（驻青年路）、黄堡镇（驻新市街）；王益乡（驻健康路）、王家河乡（驻王家河北路）。
2010年第六次人口普查，王益区常住总人口200231人，其中：七一路街道28007人，红旗街道53592人，桃园街道27529人，青年路街道24535人，黄堡镇33528人，王家河乡21760人，王益乡11280人。
2011年，撤销王家河镇，设立王家河街道。调整后，王益区辖5个街道、1个镇、1个乡：红旗街街道、桃园街道、七一路街道、青年路街道、王家河街道、黄堡镇、王益乡。
2012年末，王益区面积156.1平方千米，户籍人口206302人，常住人口20.15万人。2013年末，王益区辖5个街道、1个镇、1个乡，共有20个社区、39个行政村，区政府驻红旗街。
2015年，撤销王益乡，设立王益街道（铜王改发[2015]1号）。调整后，王益区辖6个街道、1个镇：红旗街街道、桃园街道、七一路街道、青年路街道、王家河街道、王益街道、黄堡镇。
2015年，王家河街道撤销杨树沟村并入炭科沟村，撤销周家河村、冯家河村并入常家河村。【其他街道、镇撤并村规模情况还在收集中】