古代属《禹贡》梁州之域，秦代属蜀郡辖地，汉代属犍为郡江阳县。

北周（557—591）至宋、元时期属荣州（今荣县）。

明嘉靖年间改属富顺县。

清康熙十九年（1680），自流井作为地名记载于史料。清雍正八年（1730），富顺县曾先后在自流井域内设县丞署、县佐署，管理地方行政和盐务。桐发垱、长坝垱为自流井最早的建置名称，以后邱家垱分出之下邱垱亦属自流井建置范围。清光绪二十六年（1900），各垱改称保。

民国元年（1912），境内的垱、保合置桐垱区、长垱区、下邱垱区。民国3年（1914）3月，恢复乡团制，区又改称团。民国23年（1934）并团改镇，桐垱团改为桐垱镇，长坵团与下坵团合并为长坵镇。民国24年（1935），川政统一，各县设区，富顺县在自流井设第五区。民国28年（1939）8月，桐垱镇、长邱镇由富顺县第五区划归自贡市管辖。民国31年（1942），桐垱镇更名为自井镇。民国33年（1944），自井镇改为一区、长邱镇改为二区。1950年，一、二区合并为一区。1953年1月，一区正式定名为自流井区，建置为县级政权。

20世纪50—80年代，区管辖的农村先后两次划出，两度成为纯城市区。2005年8月，自贡市区划调整时，将原属大安区的红旗乡、贡井区的荣边镇、沿滩区的高峰乡、农团乡、漆树乡、仲权镇、舒坪镇划入自流井区管辖。2006年5月21日，经自贡市人民政府批复同意将丹桂街道办事处、学苑街道办事处委托自贡高新区管理。2012年12月1日，将高峰乡整体托管给自贡高新区管委会管理。2019年9月，经四川省人民政府批复，撤销农团乡、漆树乡，设立飞龙峡镇；撤销红旗乡，由沿滩区卫坪镇杨公桥村和东湖、紫景、杨公桥3个社区及原红旗乡剩余区域，设立红旗街道；撤销高峰镇，设立高峰街道；撤销舒坪镇，设立舒坪街道。截至2021年年末，全区辖仲权、荣边、飞龙峡3个镇，舒坪、新街、五星街、东兴寺、郭家坳、丹桂街、学苑街、红旗、高峰9个街道。