清初善化县分为四乡、五坊厢。南区处在上、下厢。乾隆年间城内设坊，辖十四个铺。南区为十三、十四铺。光绪时期，铺改都。南区为一、八都。辛亥革命胜利后，裁善化县合入长沙县，隶属长沙府，南区为长沙县的城南镇。
1934年，在前一年设立长沙市的基础上在长沙城内设4个区，城南区为第二区，6月成立第二区公所，驻地朗公庙（今朗公街）。辖4个坊、15个保。
1938年，长沙市废除区-坊-保-甲4级建制，改为镇-保-甲3级建制，城南区改为黄道镇、礼贤镇、天心镇。是年11月文夕大火后，长沙市政府被裁撤，原范围归属长沙县管辖，城区分城南、城北两镇。
1942年初，恢复长沙市政府后，城区划为城东、城西、城南（镇址鳌山庙）、城北、城
中（镇址火药局）5镇。
1944年1月，镇、乡改区，长沙市划为城东区、城南区、城北区、会春区、文艺区、金盆区、岳麓区8区。是年6月日军占领长沙。翌年2月，置日伪城南镇。8月抗日战争胜利，城南恢复区建制，辖8个保。
1947年2月扩充为14个保、453个甲，后调整为292个甲。此建制维持至长沙解放。
1949年8月5日，长沙和平解放，市人民政府派军代表接管城南区JC分局及下设四、五、六分驻所。8月26日成立城南区公安分局。27日接管国民政府长沙市城南区公所，9月撤销旧区公所，成立城南区人民区公所，所址下黎家坡。
1950年6月，全区废除原3个公安分驻所、14个保、292甲，按地域成立城南路、天心阁、西湖路、社坛街、灵官渡、楚湘街、织机街7个居民委员会。
1950年9月，金盆岭南大十字路（后更名为南大路）和裕南街两个居民委员会划归南区。
1951年5月，南区织机街居民委员会划属东区，西湖路居民委员会划属西区。
1952年，7个居民委员会均改为街道人民代表大会常务委员会办事处，次年改称街道办事处。
1954年，区域调整。全区设南大路、新兴路、裕南街、天心阁、楚湘街、城南路、灵官渡7个街道办事处。
1955年5月，城南区人民政府改称南区人民委员会。
1960年4月，撤销区人民委员会，成立长沙市妙高峰人民公社，驻地席草田7号，下辖8个分社（其中一个农业分社）。
1961年9月26日，恢复城南区人民委员会。
1968年9月，成立革命委员会，取代人民委员会。
1980年10月28日，撤销革命委员会，成立南区人民政府。
1996年7月10日，长沙市撤销南区，成立天心区，天心区辖原南区裕南街、金盆岭、城南路、书院路4个街道，原西区坡子街、学院路2个街道，原郊区大托乡、园艺场和畜牧农场，共计6街道1乡2场。
2012年7月9日，天心区行政区划调整，撤销坡子街街道、学院街街道和书院路街道，合并组建新的坡子街街道；撤销大托镇，析置为黑石铺街道、大托铺街道、先锋街道；金盆岭街道析置为金盆岭街道、赤岭路街道；新开铺街道析置为新开铺街道、文源街道。
区划调整后，天心区区辖12个街道，分别为：坡子街街道、城南路街道、裕南街街道、金盆岭街道、赤岭路街道、新开铺街道、文源街道、桂花坪街道、青园街道、黑石铺街道、大托铺街道、先锋街道。
2015年1月14日，原属长沙县的暮云街道、南托街道划入天心区。