美溪林区，可追溯到唐朝，属海北道黑水都督府，为黑水靺赫黑水部活动区。

辽、北宋时属东京道铁骊王府，为女真邬畏于厥部活动区。

金、南宋时属东京蒲与路屯河猛安。

元代属辽阳行省水达达路桃温万户府。

明代属奴尔干都司屯河卫辖区。

清代属兴东道。

民国十七（1928年）国民政府废道，当时在伊春河一带拟设伊春厅，美溪林区正置伊春厅所辖之内，伪满时隶属三江省汤源县，抗日战争胜利后属合江省汤源县。

民国三十六（1947年），合江省林务局南岔分局在美溪设82公里作业所。

1949年定为美溪林务所，1950年8月，扩建为美溪林务分局，1951年7月，美溪林务分局迁址五道库，1953年，五道库林务分局扩建为森林工业局，同年3月，伊春县建立后，美溪村公所改建为伊春县辖治和村级镇。

1955年10月，美溪区公所组建，属伊春县领导，美溪设镇政府。

1957年11月，五道库森林工业局迁址美溪，在美溪成立五道库林管区。伊春县扩建为伊春市，美溪改为市辖区。

1958年1月，五道库森林工业局和五道库管区合并，同年4月，五道库森林工业局更名为黑龙江省美溪林业局。是年10月，美溪区人民政府易名为美溪人民公社。

1960年3月，美溪人民公社、美溪林业局实行第一次政企合一，1962年1月，政企分设，1964年9月，实行第二次政企合一，统称为美溪区人民政府、美溪林业局，简称美溪区（局）。

1967年6月7日，成立美溪区革命委员会，1971年9月，恢复美溪林业局党委。

1980年9月22日，撤销美溪区革命委员会，恢复美溪区人民政府、美溪林业局建制。