自秦王嬴政二十五年（公元前222）立会稽郡，北仑区境为会稽郡句章县东境，两汉至南北朝仍属会稽郡句章县。唐武德四年（621），析句章为姚州、鄞州，隶越州总管府（武德八年改为总督府），北仑属鄞州东境。武德八年（625）废鄞州置鄮县，北仑属鄮 县东境。后梁开平三年（909），改鄮县为鄞州、领鄞、慈溪、奉化、象山、定海5县。北仑属定海县崇邱乡（即今小港镇）和鄞县东境。
宋熙宁十年（1077）划鄞县灵岩、泰邱、海晏3乡（即今新碶、大碶、霞浦、柴桥、白峰、郭巨和三山、梅山等镇乡）隶定海县。元丰元年（1078）划定海县金塘乡隶昌国（即今舟山市定海区）。明洪武二十年（1387）废昌国县，改卫隶定海县。清康熙二十六年（1687），定海县改名为镇海县。次年立昌国故址为定海县。镇海县建制沿至民国未变，北仑为镇海县的甬江南岸地区。1951年4月，大榭岛及周边小岛从定海县划归镇海县柴桥区。1954年春，合岙乡从柴桥区划归鄞县大嵩区。1958年9月撤镇海县并归宁波市，1963年1月自宁波市析出，恢复镇海县建制。
1984年1月27日，根据国务院《关于浙江省调整宁波市行政区划的批复》（国函字[1984]270号），浙江省人民政府以浙政发[1984]13号文件批复同意建立宁波市滨海区。滨海区管辖原镇海县的城关、新碶、俞范三镇和清水浦、青峙两乡（其中新碶镇为原新碶乡改为镇建制，俞范镇、清水浦乡、青峙乡为新划建的乡镇），区域总面积134平方公里，人口10.5万人。区级机关暂设城关镇。1984年10月18日，国务院批准建立宁波市经济技术开发区；开发区区址确定在甬江南岸的小港港口，区域范围：西起金鸡山,东至牯牛岭、门城山脊，南至乌岩山，北临甬江口及金塘水道南岸，面积为3.9平方公里，首期开发1.3平方公里，涉及滨海区青峙乡三个村和镇海县小港乡的一个村。
1985年7月1日，国务院批复同意撤销镇海县，扩大滨海区，设立镇海区；两区以甬江分界，甬江以北为镇海区，甬江以南为滨海区。1986年12月11日，国务院批复浙江省人民政府同意设置北仑港工业区，确定北仑港工业区范围为东起穿山西口，西至宁波开发区东侧（小港青峙），北沿金塘江，南以回顾山、南山、算山、凤洋村、贝碶村、沙湾村、霞浦乡、山门为界，面积约70平方公里。1987年9月14日，国务院（国函[1987]153号）批复同意宁波市滨海区更名为北仑区，区机关驻地由原大碶镇改设在新碶镇（1987年11月至次年6月，区级机关搬迁新址）。
1988年8月，霞浦撤乡复镇。1990年7月1日全国第四次人口普查，全区总人口314055人。1991年9月29日，北仑港工业区管委会正式挂牌办公，和北仑区党政领导班子实行统一领导、合署办公。1992年5月，原江南、下邵、枫林乡并入小港镇，原塔峙、邬隘乡并入大碶镇，原高塘乡并入新碶镇，原紫石、昆亭乡并入柴桥镇，原上阳乡并入白峰镇，原峙头乡并入郭巨镇，霞浦镇、梅山乡、大榭乡、三山乡维持原状。扩镇并乡后，北仑区辖7镇3乡。
1992年10月30日，国务院批准，将原宁波经济技术开发区与北仑港工业区合并；调整后，宁波经济技术开发区的面积由原来的3.9平方公里扩大到29.6平方公里。其区域界限为：东以骆霞公路林大山至霞浦段为界；南以金鸡山、千亩岙水库、凤洋村、霞浦镇为界；西以原经济技术开发区西边界为界；北为原经济技术开发区北端沿海岸线到杨公山与骆霞公路算山至林大山段相接。1992年11月19日，国务院批准设立宁波保税区；保税区位于北仑港南侧，总面积为2.3平方公里，首期开发1.2平方公里。1993年3月5日，国务院批复同意开发大榭岛。
1994年6月1日省民政厅批准撤销大榭乡，设立大榭街道。1995年5月28日，宁波开发区新碶办事处成立，与北仑区新碶镇政府合署办公。北仑区面积585平方千米，人口约32.2万人。辖1个街道、7个镇、2个乡：大榭街道、新碶镇、大碶镇、小港镇、柴桥镇、郭巨镇、霞浦镇、白峰镇、三山乡、梅山乡。区府驻地新碶镇。
2000年第五次人口普查，全区总人口382278人，其中：宁波大榭开发区街道23513人、新碶镇91359人、小港镇66057人、大碶镇55836人、霞浦镇24826人、柴桥镇47381人、白峰镇17312人、郭巨镇17454人、三山乡10727人、梅山乡12285人、宁波开发区15528人。
2001年末，北仑区面积585平方千米，总人口33.08万人，其中非农业人口10.27万人。辖1个街道、7个镇、2个乡，22个居委会、280个行政村。区政府驻新碶镇明州路22号。2002年11月18日，宁波市委、市政府发文，批准北仑区和宁波开发区合并，实行“一套班子，两块牌子”新的管理体制；2003年1月正式运作。
2003年7月30日，浙江省政府（浙政函[2003]107号）批复同意北仑区撤销新碶镇、小港镇、大碶镇、霞浦镇、柴桥镇建制，将5个镇行政区由北仑区政府直辖。在此区域内设立新碶、小港、大碶、霞浦、柴桥街道办事处；撤销三山乡建制，以原柴桥镇上刘、上车门、邹溪、燕湾、桂池、干岙6个行政村和三山乡合并设立春晓镇；撤销郭巨镇、白峰镇建制，合并设立新的白峰镇。2005年9月，北仑区政府驻地迁至长江路1166号。2005年末，全区户籍人口34.99万人。
2006年11月18日，经宁波市政府批准，北仑区部分街道行政区划进行调整。新碶、小港、大碶、霞浦4个街道的行政区划略有调整，新成立组建戚家山街道，辖区范围以小港街道划出的青峙、李隘、林塘、沙头、蒋家5个村及蔚斗、渡头、东升3个社区地域范围，面积18.6平方千米，人口1.3万人，办事处驻东海路16号。
2014年，经省、市政府批准，撤销春晓镇、梅山乡，设立春晓街道、梅山街道（11月4日浙政函[2014]116号，12月1日甬政发[2014]110号）；2015年1月4日正式实施。