温州历史悠久，古称瓯，因其位于瓯江口，故得名瓯海。早在上古时代，这片土地就被视为“瓯”地的一部分，据《山海经·海内南经》记载：“瓯居海中”。瓯海之名由此而来。
战国和秦代时期，瓯海属于东越地。到了西汉初，这里属于东瓯国，随后在东汉初期，归属章安县，继而成为永宁县。隋朝时，永嘉县在此设立，直到民国时期，瓯海一直隶属于永嘉县的管辖之下。
中华人民共和国成立后，1950年至1958年间，瓯海区仍隶属于永嘉县。1958年，瓯海被划归温州市管理。1981年12月，国务院批准设立了瓯海县，划定原温州市梧埏、永强、三溪、藤桥、西岸等区域作为行政区域，县政府设在温州市。1992年，民政部批准撤销瓯海县，设立现在的温州市瓯海区，原区公所撤销，辖下有16乡、17镇和1街道办事处，区政府驻景山街道。
1997年，瓯海区总面积897.7平方千米，人口55.9万人。行政区划包括景山、仙岩等街道，以及永中、灵昆等18个镇和7个乡。2000年人口普查显示，人口增至835,607人，辖区进一步细化。随着时间的推移，瓯海区的行政区划历经调整，如2001年将部分乡镇划归其他区，以及2003年和2011年进行的两次较大规模的行政区划改革，最终形成了现在的7个街道、1个镇的格局，总面积和人口相应减少。
瓯海区是温州市三大城区之一，处于温州市区的东、南、西部，北靠瓯江，环绕鹿城、龙湾两区。原系温州市郊区，1981年12月析出建置瓯海县，1992年撤县设区。