早在新石器时代晚期，区境即有人类繁衍生息。出土文物证明，距今5000年左右，在今安化县马路口、江南，南县北河口，赫山区邓石桥和沅江市漉湖等地，就已形成村落。进入青铜器时代后，在今桃江县马迹塘、灰山港，沅江市莲子塘以及资阳区新桥河、长春，赫山区赫山庙、龙光桥、笔架山一带，聚居村落已趋密集。　东周以前，区境属《书·禹贡》所载九州中的荆州管辖。战国时期为楚国黔中郡属地。秦属长沙郡。

益阳之得名，据东汉时应劭说：“在益水之阳，当为县名。”清人周树荣有“益阳赋”云：“益水所经，水北曰阳，县以此名。”看来，经流益阳之大江资水，古或为益水。街市在江北向，故称益阳。有趣的是，益阳的名字，几千年来无论辖地怎么变异频繁，它一直没有改易过名称，这在中国地名中是比较少见的。 据文献记载和出土文物证明，早在新石器时代，我们的祖先就在这块土地上繁衍生息。距今5000年左右，在今益阳新桥河、邓石桥、舞岭、莲子塘、灰山港一带，均有密集的聚居群体。

据《禹贡》载，今益阳地区远古属荆州。春秋时为楚地，战国时隶楚黔中郡，公元前221年秦灭楚，立长沙郡，下设益阳等九县。初置益阳县包括今日之桃江、益阳、安化、新化各县和益阳市、冷水江市的全部以及宁乡、湘阴、涟源、新邵和沅江市的部分土方，范围广达18000平方公里。今益阳地区所辖县、市，除沅江部分和南县外，均在古益阳版图之内。

西汉，郡县与封国两制并行。今益阳地区分属长沙国，武陵郡，统隶荆州刺史部。东汉，沿袭西汉州、郡、县制，废长沙国为郡。今益阳地区分属长沙国、武陵郡，统隶荆州刺史部。

三国鼎立，吴、蜀分荆州。这一时期，荆州处于魏、蜀、吴逐鹿争雄的疆场。赤壁之战后，曹操退出南方，吴、蜀为争夺荆州展开了一场错综复杂的争斗。公元207年先为蜀刘备夺取。孙权索取荆州未成时，乃派吕蒙夺取长沙。刘备为救长沙，建安二十年（公元215年）令关羽屯兵益阳与吕蒙相拒。《吴志·甘宁传》载：“宁随鲁肃益阳拒关侯，侯择精锐五千投县上流十余里浅濑，云欲夜渡。肃选兵益宁，宁乃夜住，侯闻之，住不渡而结寨营。”鲁肃则则率程普、甘宁据城东南龟山屯驻，于陆贾山溪口约会关羽。这次约会，便是名震千古的“单刀会”。而益阳城垣，即为肃筑土城屯兵所建。

三国吴太平二年（公元257）分长沙西部都尉设置衡阳郡。益阳属于衡阳郡。这时分置南部地方设新阳县（即今宁乡），公元266年又从西部地方分设高平县（今新化和新邵县的一部分），益阳县疆域开始缩小。公元280年，晋灭吴后，分全国为20州，益阳属荆州。南朝宋时（公元420年），改衡阳郡为国，益阳属于衡阳国。又划给湘阴一部分土地。南朝齐时（公元479年）复改衡阳为郡，直到梁时仍属于衡阳郡、药山郡、武陵郡、巴陵郡、南平郡。

隋朝时分属潭州、岳州、朗州和澧州。唐贞观元年（公元627年）分全国为10道，开元中分为15道，道下州郡并称。益阳随潭州、长沙郡时更所属，变迁不定四次之多。

五代，十国割据，湖南属楚国。后梁（公元907年）益阳属潭州。后唐（公元923年）马殷为楚国，益阳属长沙府。后周（公元951～959）益阳属潭州府。

宋朝，初分天下为15路，后分23路，南宋为16路，路高安抚司，直隶京师，路以下置府、州郡、军。北宋太祖建隆元年（公元960年），益阳属湖南路潭州长沙郡。熙宁五年（公元1072年）以益阳梅山等地方分置新化、安化等县。宋史神宗本纪载：五年章惇开梅山，置安化县，取名为“归安德化”之意。

公元1279年，忽必烈灭南宋建元朝，置路，元成宗元贞元年（公元1295年）以益阳县有万户升为益阳州，属潭州路。天历二年（公元1329年）随潭州路改为天临路属。

明朝分全国为13省，省高布政使司（后改承宣布政使司），省下置府、州、司，益阳属湖广行省，即湖广布政使司（治江夏，今武汉市）长沙府 。明代洪武初（公元1368年）复降益阳州为益阳县。

公元1636年，爱新觉罗氏改国号为清。采用“省”、“道”、“府和直隶厅、直隶州”、“县和散厅、散州”四级制，初分全国为18省，后为23省，省高总督、巡抚、驻布政使司。益阳属湖南省长宝道长沙郡。

公元1852年10月20日，洪秀全统率太平军经长沙转战益阳，改益阳县为“得胜县”。这是益阳历史上仅有的一次短暂更名。

民国初，分全国为22省、4特区，后增至35省及西藏。

民国三年（公元1914年），湖南废府、厅、州，长宝道改为湘江道，辖益阳。

民国十一年废道，益阳属于省。

民国二十七年（公元1938年）湖南省划为9个行政督察区，益阳属第1区；后又调整为10个区。

民国29年（1940），湖南省府以原9个行政督察区辖境过广和督察不便，将之调整为10个。同年4月，划益阳、安化、湘乡、宁乡、汉寿、沅江等6县，组成第五行政督察区，专员公署驻益阳县城，是为区境地区一级行政建置之始。南县属第四行政督察区（专员公署驻常德）。

民国33年（1944），侵华日军大举进犯，湖南部分地域沦陷，各行政督察区的建置名存实亡。省政府遂设安化、沅陵、洪江3个行署，作为非常时期省政府临时派出机关，分领各县。安化行署是年10月18日于安化县梅城建立。原第五行政督察区所属各县均为安化县行署领辖。翌年7月31日，安化行署撤销，恢复第五行政督察区。

1949年湖南各地相继解放，国民党政府在湖南的统治宣告结束，各行政督察区的建置随之瓦解。是年8月，成立新的湖南省临时政府（1950年4月正式成立省人民政府）后，湖南省设1个省辖市、10个专区。专区设专员公署，为省政府派出机关。益阳专区于1949年8月成立，专员公署驻益阳县城关区，辖益阳、安化、湘乡、宁乡、沅江、汉寿6县。

1950年3月，益阳县城关区改为益阳城关区，升为县级；同年9月，建立益阳市，直属益阳专署领导。

1951年4月，省政府执行中共中央关于“在100万人口左右的大县，领导困难，可以划小”的指示，析湘乡县第九、十区，安化县第三、四区和兰田镇，以及邵阳、新化县部分地域，置兰田县；析湘乡县第三、六、七区，置永峰县。同年七月，析益阳县第六、七、八、九、十一区，置桃江县，均属益阳专区管辖。当时，全区共辖9县、1市。南县则属常德专区。

1952年11月，益阳专区建置撤销，原辖宁乡县划属湘潭专区，湘乡、双峰、涟源3县划归邵阳专区，益阳、桃江、安化、汉寿、沅江5县及益阳市划归常德专区，历时10年。其间，益阳市于1953年4月改为省辖市，授权常德专署领导，1958年7月改为益阳县领导，但1961年复改专区辖市，仍由常德专署领导。

1962年12月，恢复益阳专区建置，专员公署驻益阳市桃花仑，辖南县、沅江、华容、益阳、宁乡、桃江、安化7县和益阳市。大通湖、千山红、金盆、北洲子、茶盘洲、钱粮湖6个国营农场，同时划归益阳专区管辖。

1964年9月，华容县及钱粮湖农场划归岳阳专区。

1968年，益阳专区改称益阳地区。

1983年7月，宁乡县划属长沙市。至此，全区辖益阳、桃江、安化、沅江、南县和益阳市，及大通湖、北洲子、金盆、千山红、茶盘洲5个国营农场和大通湖渔场。

1994年3月，国务院批准撤销益阳地区，设立地级益阳市；5月，新的中共益阳市第一次代表大会选举产生中共益阳市第一届委员会和纪律检查委员会；原益阳县、益阳市分别以资水为界，以南改为赫山区，以北改为资阳区。7月1日，“益阳市人民代表大会常务委员会”、“益阳市人民政府”、“中国人民政治协商会议益阳市委员会”正式挂牌。从此标志着地级益阳市的成立。益阳市辖3县（南县、桃江、安化）、1市（沅江市）、2区（赫山、资阳）、5大国营农场（大通湖、北洲子、金盘、千山红、茶盘洲）和大通湖渔场。

2000年12月18日，中共大通湖区委员会、大通湖区管委会成立。5大国营农场撤销。场部所在地改设建置镇。大通湖区由大通湖、北洲子、金盘、千山红4大国营农场合并而成；茶盘洲农场改茶盘洲镇划归沅江市管辖。市辖境包括3县、1市、3区（赫山、资阳、大通湖）。