早在六七千年前的新石器时期，这里就有先民居住，过着渔猎和原始的农业生活。

春秋战国时期，龙湾成为越国辖地。

从东汉末年到三国，北方处于战乱之中，这一带却比较平静安定。

唐宋以来，龙湾作为温州城的东部城郊，经济文化不断发展。

民国时期属永嘉县。

1961年分属状元、龙湾公社。

1984年12月，由国务院批准建立龙湾区，是温州市三大城区之一。

1997年，龙湾区面积61.4平方千米，人口8.5万人。辖5个镇。

2001年8月，经国务院批准，温州市辖区行政区划进行调整，将原属瓯海区的永中镇、沙城镇、天河镇、海滨镇、灵昆镇和瑞安市的瑞安市塘下镇的上涂、西一、中星、东门、埭头、石坦、屿门、邱宅、东溪、东成10个村委会和前冈、后冈2个居委会划归龙湾区管辖。龙湾区人民政府驻地由状元镇迁至永中镇。龙湾区面积从61平方千米增到279.02平方千米，人口从8.93增到29.77万。

2002年1月，经省、市人民政府批准，龙湾区内行政区划进行调整，调整后龙湾区辖永中、蒲州、海滨、永兴、海城5个街道和状元、瑶溪、沙城、天河、灵昆5个镇。

2011年4月，经省、市人民政府批准，调整后龙湾区辖永中、蒲州、海滨、永兴、海城、状元、瑶溪、沙城、天河、灵昆、星海11个街道。

2012年，根据中共温州市委办公室文件要求，将沙城街道、天河街道、海城街道、星海街道委托经济开发区管理，灵昆街道委托瓯江口新区开发建设管理。

2015年，灵昆街道划归新成立的洞头区管辖。灵昆街道面积51.3平方千米，人口2.12万人（2008年末）。龙湾区陆地面积减至227.7平方公里，总人口约90万人（2015年）。