汉宣帝神爵二年（公元前60年），汉朝设西域都护府，独山子归其领属。自此以来至清朝晚期，独山子一直都是游牧民族的牧场。
清朝、民国时期，独山子属乌苏县管辖。
清光绪二十三年（公元1897年），独山子石油开始开采。
民国二十五年（公元1936年），新疆省政府与苏联政府联合成立独山子炼油厂。开始引进苏联技术装备，在独山子（山）北坡形成石油工人聚居的矿区，即独山子矿区。
1955年2月22日，建立独山子矿区地方行政工作委员会。
1956年后，改为“新疆维吾尔自治区独山子镇人民委员会”（县级建制），由自治区人民委员会直接领导。
1958年，克拉玛依市成立，独山子划归为克拉玛依市的市辖区（县级建制）。
1970年，成立政企合一的独山子矿区革命委员会。
1982年6月，设立独山子区。
1984年，新疆维吾尔自治区决定克拉玛依市为直辖不设区的市，撤销克拉玛依市独山子区，成立克拉玛依市独山子镇（县级建制）。
1990年，新疆维吾尔自治区恢复克拉玛依市为设区的市，重新成立独山子区。
