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)。