战国时，今广元市昭化区境域为蜀王领地。蜀王开明尚封其弟为苴侯，以葭萌（今昭化土基坝，时名“吐费”）为都邑。秦惠文王更元九年（公元前316年），秦趁蜀王伐苴之机进攻蜀国并灭蜀、巴。后又以蜀侯国苴都邑葭萌为治地建置葭萌县（一说具体置县时间为秦昭襄王二十二年，即公元前285年）。西汉高祖六年（公元前201年），析葭萌县北境置白水县。东汉献帝建安二十二年（217年），蜀汉刘备改葭萌县置汉寿县。西晋武帝太康元年（280年），改汉寿县置晋寿县。东晋穆帝永和三年（347年），析晋寿县西境置剑阁县。东晋孝武帝太元十五年（390年），在晋寿县治地置晋寿郡，析晋寿县东北境置兴安县，治绵谷（今广元市利州区嘉陵街道办事处）；改晋寿县为益昌县，治今广元市利州区赤化（又名白田坝）；废剑阁县，部分境域入益昌县。东晋安帝时，析益昌县南境置晋安县（疑治今丁家乡境玉罗坝）。
南北朝时齐明帝永泰元年（498年），改晋寿郡为西晋寿郡，在兴安县置东晋寿郡，又置西益州。西魏废帝元钦二年（553年），废西晋寿郡，改益昌县为京兆县，治今昭化镇；次年，改西益州为利州。北周孝闵帝元年（557年），复改京兆县为益昌县，改东晋寿郡为晋寿郡。隋文帝开皇三年（583年），“遂废诸郡”，罢利州所领之晋寿郡；开皇十八年（598年），以绵谷居交通要道，又是兴安县治所，遂改兴安县为绵谷县，改晋安县为葭萌县。后唐庄宗同光三年（925年），改益昌县为益光县；长兴四年（933年），废景谷县（治今青川县沙州镇境）入益光县。北宋太祖乾德五年（967年）复改益光县为益昌县；开宝五年（972年）再改益昌县为昭化县。元世祖至元十四年（1277年）取《易经》
“大载乾元”及元“德威广播，疆土广大”之意，置广元府路，废葭萌县入昭化县。明太祖洪武四年（1371年），仍置广元府。洪武九年（1376年），降广元府为广元州，省绵谷县入州，属四川布政使司。洪武十年（1377年），又省昭化县入广元州。洪武十三年（1380年）十一月，复置绵谷县和昭化县。洪武二十二年降广元州为广元县，废绵谷县，仍置昭化县，属保宁府。清沿明制，广元县、昭化县仍置，属川北道保宁府。中华民国时期，广元、昭化两县仍置。民国元年（1912年），裁川北道，两县属保宁府；民国2年，废府复道，两县属川北道；民国3年，更川北道为嘉陵道，广元、昭化两县同属嘉陵道。
1933年7月23日，红四方面军在今元坝镇建立嘉陵县苏维埃。1949年12月14日和15日，中国人民解放军先后解放广元和昭化；12月15日，广元县和昭化县人民政府成立。1950年3月19日，剑阁专署成立，广元县、昭化县属之。1952年12月，剑阁专署改称广元专署。1953年3月，撤广元专署，两县又隶属绵阳专署。1959年3月22日，国务院正式批准昭化县并入广元县。1985年2月，国务院批准设广元市，撤广元县，建广元市市中区，并将原绵阳地区的旺苍、青川、剑阁3县划归广元市管辖；1985年9月，国务院批复将南充地区的苍溪县划归广元市管辖。
1986年11月在广元市市中区内撤昭化、虎跳、王家区，所辖乡镇划归广元市市中区卫子区（时称“卫子大区”）。其时，“卫子大区”辖24乡2镇（虎跳镇、昭化镇）。1987年5月19日，经省人民政府批准，撤卫子乡建卫子镇。1989年2月18日，广元市市中区中心区的元坝镇、柳桥乡划归卫子区管辖，其时，“卫子大区”辖24乡4镇（虎跳镇、昭化镇、卫子镇、元坝镇）。
经国务院批准，国家民政部于1989年8月15日批复，撤销广元市市中区卫子区，建元坝区，属广元市。区治由卫子镇迁至今元坝镇（先治桂花村，2012年6月迁到元坝村——今马克思街社区）。1993年4月，苍溪县小新乡划入同市的元坝区，同时撤销磨滩乡（由原观音乡易名）和小新乡，建磨滩镇。历经1992年至1995年的乡镇撤并，还先后撤销王家乡、柏林沟乡、太公乡、红岩乡，分别建王家镇、柏林沟镇、太公镇、红岩镇。
2001年7月，境内原广旺矿务局所属的拣银岩煤矿被批准破产，其所属的640号矿井区、轻管所2个居委会经市人民政府2002年9月批复，移交广元市元坝区管理，并划柳桥乡拣银岩村与其一起建拣银岩社区街道办事处。2009年12月2日，四川省人民政府批复，设拣银岩街道办事处，拣银岩社区街道办事处撤销（川府民政〔2009〕17号）。2009年1月7日，省民政厅制发川府民政〔2009〕1号批复并经广元市人民政府1月8日以广府函〔2009〕3号转复，将利州区（原广元市市中区）荣山镇权坝村的第七、八、九社划归元坝区元坝镇管辖，设泉坝村。
经国务院批准，民政部2013年3月12日制发《关于同意四川省广元市元坝区更名为昭化区的批复》（民函〔2013〕84号）；四川省人民政府于2013年4月1日制发《关于同意广元市元坝区更名为昭化区的批复》（川府函〔2013〕100号）；广元市人民政府于2013年4月17日制发《关于同意四川省广元市元坝区更名为昭化区的批复》（广府函〔2013〕62号）。2013年4月28日，广元市昭化区四大班子挂牌。
2015年9月14日，区人民政府根据川府民政〔2015〕16号和广府函〔2015〕107号文件精神，制发昭府函〔2015〕108号文件即《关于调整明觉乡、石井铺乡行政区划的通知》，两乡撤乡设镇，其管辖区域不变。
2019年12月24日，四川省人民政府制发《关于同意广元市调整青川县等4个县（区）部分乡镇行政区划的批复》（川府民政〔2019〕26号），广元市昭化区28个乡镇和1个街道办事处中除保留磨滩镇外，其余均有撤设变化和境域调整。2020年初，实施乡镇撤并，形成全区12镇（元坝、卫子、王家、磨滩、柏林沟、太公、清水、虎跳、青牛、红岩、射箭、昭化）的格局。在此基础上，2020年上半年又进行了村（社区）建制调整，继而进行了村民小组调整。至2022年末，全区127个村826个村民小组、25个社区67个社区居民小组（含广元经开区代管的摆宴村和坪雾社区）。