历史上，怀柔是古人类活动的地区之一，考古人员在怀柔区多处发现旧石器时代和新石器时代遗迹。
春秋战国时代，怀柔是燕秦活动的战略要地，属于燕国范围，距燕国都城“蓟”最近的渔阳郡的首府即位于怀柔区北房镇的梨园庄村。
秦灭六国统一中国后仍设渔阳郡， 秦始皇对渔阳一带边远地区的战略位置十分重视，筑长城、修驰道，都路经渔阳。
西汉时，渔阳在经济、军事、民族交流方面都占有重要位置。
西汉中期汉王朝在渔阳设铁官，冶铸农器、兵刃和制造五铢钱，还不断在渔阳一带与少数民族交战，并曾派重兵屯戍。
渔阳地区长期处于少数民族和汉族交锋的前线，对各民族的文化交流、民族融合也起到了积极作用。
魏以后，渔阳郡的战略位置逐渐衰落，西晋正式废除渔阳建制，怀柔属于燕国范围。
十六国时，虽然恢复了渔阳郡名称，但先后迁至武清、三河，隋、唐迁至今天津蓟县，位于怀柔的渔阳不复存在。
隋、唐至元朝末年，怀柔始终没有形成独立的建制，唐朝建立的怀柔县为现今的顺义区。
明朝元年（1368年）12月，改顺州为顺义县，改檀州为密云、怀柔二县。
明正德元年（1506年），升昌平为州，怀柔为昌平州属县。
清顺治初年，怀柔县为顺天府所辖22县之一。
民国元年，北京地区设京兆地方，怀柔为京兆地区20县之一。
怀柔区出自《诗经·周颂·时迈》中的“怀柔百神”，意思是招来安抚。唐太宗贞观年间开始设立怀柔县。
怀柔有着悠久的历史，早在1300多年前的唐朝就已经有了“怀柔”这个名称，公元1368年明朝设置的怀柔县与今天的怀柔区管辖范围基本相同。在古代汉语中，“怀”是来的意思，“柔”是安抚的意思。“怀柔”这两个字放在一起，就是以德施政，民族团结，交融发展。
2001年12月30日，国务院批准怀柔县撤县设区。 2002年2月7日，北京市人民政府（京政发[2002]6号）批复：经国务院批准，撤销怀柔县，设立怀柔区。以原怀柔县行政区域为怀柔区行政区域。怀柔区人民政府驻怀柔镇府前街。在怀柔镇内设立泉河、龙山两个街道办事处，其余乡镇建制及行政区划不变。2002年4月16日，怀柔区正式挂牌。