密云区历史悠久，距今6000年前，燕落寨雪山文化遗址出土的新石器、陶器等文物考证，已有人类聚居。唐虞时期，密云地区属幽陵。《史记·五帝本纪》载，“舜请流共工于幽陵”，筑“共工城”。“共工城”距今4100年，是北京历史上最早的古城。

西周、春秋时期属燕国。战国时代一度被东胡占据，燕昭王二十九年（前283）燕将秦开击退东胡后设五郡，渔阳郡即为新设的五郡之一。渔阳郡址在密云统军庄村南半公里之南城子，此为密云地区行政建置最早的记载。

秦始皇二十二年（前225年）置渔阳郡、渔阳县，为密云地区建县之始。县址与郡址同设于南城子，现密云全境统归其管辖。

西汉时期密云地区分属渔阳郡之渔阳、犷平、厗奚3县。王莽建新朝，改渔阳郡为通潞郡，改渔阳县为得渔县，犷平县为平犷县，厗奚县为敦德县。东汉复称渔阳郡和渔阳县、犷平县、厗奚县。渔阳郡郡址一度徙治于潞，后又迁回原址。

三国为魏地，建置未变。西晋初，郡、县俱废，密云地区属幽州燕国。后复设渔阳郡、渔阳县，密云地区属之。十六国时期，密云地区先后属后赵、前燕、前秦。仍为渔阳郡渔阳县。北魏太平真君七年（446），渔阳郡徙治于雍奴，渔阳县仍旧。

东魏元象元年（538年），安州及所属之密云郡、安乐郡、广阳郡以及所属之8县（密云、要阳、白檀、安市、土垠、燕乐、方城、广兴（大兴））寄治幽州北界渔阳县境内。其中密云为北魏皇始二年（397年）置，县治原址在今丰宁县大阁镇东北南关村。县南15公里余有高山，常年云雾缭绕，名密云山，即今之云雾山。县名来自山名。

北齐废渔阳县入密云；废广阳郡，将大兴、方城二县并入燕乐县；废密云郡，将要阳、白檀二县并入密云；又废土垠入安市。密云地区为安州安乐郡之密云、燕乐、安市三县分辖。北周改安州为玄州（元州），废安市入密云。密云地区为玄州安乐郡之密云、燕乐二县地。

隋开皇三年（583年）废安乐郡，六年（586年）徙玄州（元州）于蓟县，十六年（596年）于旧玄州地置檀州，辖密云、燕乐二县。大业三年（607年）废州设郡，改檀州为安乐郡。密云地区为安乐郡之密云、燕乐二县地。

唐武德元年（618年）废郡设州，改安乐郡为檀州。长寿二年（693年）州址迁今县城。天宝元年（742年）改檀州为密云郡。乾元元年（758年）又改密云郡为檀州，密云地区仍为檀州的密云、燕乐二县地。

五代时期，后梁乾化三年（913年）废燕乐县入密云。密云为檀州密云地。后唐因之。后晋天福元年（936），割幽云十六州予契丹，檀州为十六州之一。自此密云地区为辽地。

北宋宣和五年（1123年），辽归还涿、易、檀、顺、景、蓟6州24县于宋。宋改檀州为横山郡，改行唐为威塞。密云地区为宋横山郡之密云、威塞二县地。宣和七年（1125年），金收回6州24县地，仍称横山为檀州，威塞为行唐。后废行唐入密云。金太宗天会四年（1126年）废檀州，密云归中都路顺州管辖。金末复檀州，以密云入檀州。

元朝，密云地区为大都路檀州地，后又复置密云。

明洪武元年（1368年）十一月，省密云入檀州，十二月复置密云，并省檀州入密云，属北平府。永乐元年（1403年）改属顺天府。正德元年（1506年）改属昌平州，旋罢。正德九年（1514年）复属昌平州。

清初密云仍属昌平州。康熙二十七年（1688年）改属顺天府北路厅。雍正六年（1728年）直属顺天府。

民国三年（1914年）密云属京兆地方。

民国十七年（1928年）改京兆为北平，密云改隶河北省。

民国二十二年（1933年）5月长城抗战失败，密云被划入“非武装区”，属蓟密行政督察专员区。

民国二十四年（1935年）11月25日伪“冀东防共自治委员会”成立，12月25日改称为“冀东防共自治政府”，密云属之。

民国二十六年（1937年）8月，日本侵略军完全占领密云，12月隶伪河北省冀东道。

民国二十七（1938年）6月，八路军第四纵队挺进冀东，于密云、滦平、昌平三县交界地区建立昌滦密联合县，密云西部地区属之；于密云、平谷、蓟县三县交界地区建立密平蓟联合县，密云东南部地区属之。10月二联合县撤销。

民国二十九年（1940年）4月，蓟平密联合县建立，隶晋察冀边区冀东办事处，密云潮河东地区属之。

民国二十九年（1940年）11月，蓟平密联合县西北办事处扩建为平密兴联合县，密云潮河东地区为之第三区，隶冀东十三专署。

民国三十一年（1942年）11月，平密兴联合县改称平三密联合县。密云潮河以东地区仍为第三区，隶冀东十三专署。

民国二十九年（1940年）6月建丰滦密联合县，密云潮河西地区属之，隶晋察冀边区平北专署。

民国三十二年（1943年）11月，丰滦密联合县划归冀东十四专署。

民国三十四年（1945年）5月又重新划回平北专署。

抗日战争时期，日本侵略军建立伪密云政府，隶伪河北省冀东道。

民国二十九年（1940年）7月改隶伪河北省燕京道。

民国三十二年（1943年）7月，平三密联合县第三区扩建为承兴密联合县。密云潮河东地区属之，隶冀东十四专署。

民国三十四年（1945年）9月，抗日战争胜利，日伪军拒向八路军投降。国民党政府军乘机攻入密云，在原日伪军控制区建立县政府，隶河北省冀东道。

民国三十四年（1945年）11月，承兴密联合县撤销。于密云潮河东地区建密东办事处，隶属关系未变。

民国三十五年（1946年）6月，丰滦密所属密云潮河西地区与密东办事处所辖潮河东地区合并，恢复密云建制，隶属冀东十四专署。

民国三十六年（1947年）2月，密云复分为东西两县，潮河东地区建密云，隶冀东十四专署；河西地区建乙化县，隶平北专署（后改冀察专署）。

1948年12月5日，密云城解放。

1949年8月，密云县、乙化两县合并，仍称密云县，隶河北省通县专署。

1958年4月，河北省通县专署撤销，密云区改属河北省承德专署。

1958年10月，密云划归北京市管辖至今。

2015年11月，撤销密云县，设立密云区。