漢朝設(shè)立西域都護(hù)，今頭屯河轄區(qū)一帶正式納入漢朝版圖。

西魏廢帝元年（552），突厥擊滅柔然，突厥汗國建立，今烏魯木齊一帶盡歸其統(tǒng)轄。

唐武宗會昌年間（841-846），回鶻大規(guī)模西遷，其中一支至北庭、西州一帶，史稱“高昌回鶻”，今區(qū)境受其管轄。

1755年，清定西將軍永常率兵至烏魯木齊屯駐，今頭屯河一帶歸清朝直接管轄。

清政府在此設(shè)頭屯所堡，駐軍屯田。

1886年迪化州升為迪化府，增設(shè)迪化縣，設(shè)置農(nóng)官、鄉(xiāng)約管理村莊，今頭屯河區(qū)一帶屬迪化縣管轄。

1956年7月，市人民委員會決定設(shè)立頭屯河鎮(zhèn)，直屬烏魯木齊市管轄。

1961年4月，頭屯河鎮(zhèn)升格為縣級頭屯河區(qū)，1981年10月，又改稱為頭屯河區(qū)人民政府。