因境内有天台山、园艺场，取“园”之谐音“元”，合名为天元。解放初，辖区分属湘潭县藕花乡、藕灵乡。

1959年划属株洲市郊区，1965年划归株洲县；1966年园艺场复划入株洲市郊区。

1992年2月经湖南省人民政府批准，于园艺场辖区范围成立株洲高新技术产业开发区，同年12月经国务院批准为国家级开发区。

1997年5月31日，设立天元区，辖原株洲县的群丰镇、马家河乡和原郊区的园艺场。区人民政府驻黄河北路。同年7月，湖南省人民政府批复同意调整株洲市市辖区行政区划：天元区东、北以湘江河为界，南以群丰镇与雷打石镇界线为界，西以株洲市与湘潭市界线为界。