自宋代起至民國前，天河區所在地域屬番禺縣。

1921年，廣州正式建市，天河地區西部沙河地區屬廣州市，東部東圃地區仍屬番禺縣鹿步司。

1956年6月，后歸屬廣州市郊區。

1985年，廣州市郊區五山、沙河、員村、車陂4街道及沙河、東圃2鄉設立廣州市天河區。

1987年，同和鎮劃歸白云區。

2005年天河區登峰街道、天河南街道的楊箕和中山一路2個居委會、沙東街道的部分區域劃歸越秀區，新塘街道的玉樹村劃歸蘿崗區，形成今天的區域范圍。