自宋代起至民国前，天河区所在地域属番禺县。
1921年，广州正式建市，天河地区西部沙河地区属广州市，东部东圃地区仍属番禺县鹿步司。
1956年6月，后归属广州市郊区。
1985年，广州市郊区五山、沙河、员村、车陂4街道及沙河、东圃2乡设立广州市天河区。
1987年，同和镇划归白云区。
2005年天河区登峰街道、天河南街道的杨箕和中山一路2个居委会、沙东街道的部分区域划归越秀区，新塘街道的玉树村划归萝岗区，形成今天的区域范围。