门头沟区历史悠久，从1万年前的“东胡林人”起，其历史演变大致分为史前文明时期，春秋战国时期，秦汉、魏晋南北朝时期，隋唐五代时期，宋、辽、金、元时期，明、清时期和民国时期。中华人民共和国成立后，门头沟区进入新的历史时期。人类的祖先始居在天然洞穴之中，约1万年前，东胡林人离开了祖先洞居的巢穴，来到门头沟区清水河谷东胡林黄土台地居住、生活、繁衍，人类的历史从旧石器时代进入新石器时代。在东胡林人生活的遗址中，发现了用小螺壳制成的项链和用牛肋骨穿成的骨锡，反映出人类对美的追求和原始畜牧业的萌芽n此外，在沿河城的大东宫村、斋堂镇柏峪村等地，都发现了这一时期古人类生活的遗迹。
门头沟区地处古冀州。周武王十一年（前1066年）设燕、蓟政区，区境属蓟，燕并蓟后，区境属燕。战国时期，燕为七雄之一，设置上谷、渔阳、右北平、辽西、辽东5郡。区境东部，今龙泉、永定、潭柘寺三镇范围均属渔阳郡，其余地域属上谷郡。在军庄村一带春秋战国墓葬中出土的燕国刀币、青铜剑、青铜戈等，说明了当时境内的经济、政治、文化发展水平。秦并六国后，行郡县制，区境属广阳、上谷二郡。三国时，区境属幽州。公元250年，魏征北将军刘靖屯兵幽州，为解决军粮和发展农业生产，组织军士1000余人，修建车箱渠（引水渠）和戾陵堰（拦水坝），于境内三家店处引漂水（永定河）人高梁河，使蓟城南北灌田2000顷。这是北京历史上第一个大型水利工程。西晋佛教盛行，晋憨帝建兴四年（316）在区境内修建佛教名刹潭柘寺，初建时称嘉福寺，后屡经扩建、改名。因寺后有龙潭，寺前有朽树，故称潭柘寺。东晋政权偏安南方，北方出现了由少数民族统治者建立的割据政权，史称“五胡十六国”。北魏太平真君七年（446），太武帝发司、幽、定、冀四州10余万人，修筑畿上塞围，东起上谷，西至黄河，广袤干里，今境内尚留有北魏长城遗迹。东魏武定三年（545），平远将军元勒动用民工1500余人，在区境内河北衬西北筑城戍边。
隋朝，南北统一，“罢天下诸郡”，设州县二级地方行政建制。区境内上苇甸乡、王平地区办事处范围以东属幽州蓟县，其余地域属燕州沮阳县。唐武德五年前，在境内马鞍山修建慧聚寺（明代重修后改名万寿寺，俗称戒台寺）。大业三年（607）年，州废，区境分属蓟、怀戎二县。唐兴隋亡，建中二年（781），析蓟县西部与广平县东部置幽都县，区境东部属广平县。县治所由原古城（石景山区）迁至区境内辛秤村（今分东、西辛秤），此为境内设县之始。光启中年（885。888），置永兴、矾山二县，区境西部属矾山县。乾宁三年（896），李克用兵征幽州卢龙军节使刘仁恭，渡木瓜涧（区境内清水河流域）被刘所败。刘仁恭撤矾山县、幽都县置玉河县，区全境属玉河县。五代初，契丹势力进入华北。为报契丹援立之功，天福三年（938），后晋高祖石敬塘割燕、云等 16州归契丹，玉河县属契丹。开泰元年（1012），辽改幽都县为宛平县，宛平县名始于此。宋、金结盟攻辽，辽败，玉河县先属宋，后归金。金天眷元年（1138），玉河县废，区境归属宛平县。辽、金两代，兴寺拜佛，众多高僧到潭柘寺、戒台寺研习佛法。戒台寺虽建于唐，但其规模和样式基本是辽代的风格，是我国北方保存辽代文物最多、最完整的寺院。其中佛塔、石经幢、戒坛等，都是辽代佛教中十分罕见的珍品。“辽三彩”在中国瓷器史上占有特殊地位。龙泉务辽瓷器窑遗址中出土的辽代“寿昌五”年款的三彩残片，解开了辽三彩烧造地不明之谜。同时，从瓷窑火膛内发现大量灰渣及未燃尽的煤核，不仅说明门头沟区在辽代已能用煤，而且把用煤历史从记载中的元代提前到辽代，甚至更早；元朝，区境大部分属宛平县，仅沿河城一带初属矾山县，后属怀来县。元宗教开明，诸教并存，区境内燕家台通仙观、后桑峪村天主教堂等均为当时建筑。境内设立的“西山煤窑场”“琉璃渠窑场”，说明煤炭、石灰的开采和琉璃制品的烧制已成规模。 1340年著名学者熊梦样在斋堂村完成了北京地区年代较早的著名方志书《析津志》的撰写。
明洪武元年（1368），元大都改称为北平府，后又改为顺天府，宛平县属之。嘉靖三十三年（1554），沿河城地区归属宛平县，至此，区全境属宛平县。明迁都北京后，大兴土木，从而促进了煤炭、建材业的进一步发展。据明代户部《万历会计录》记载，仅乾清官在门头沟境内就有70余座直属皇宫的煤窑产业。皇宫的扩建，使琉璃烧造业更加发达。自明清以来，北京地区所用的琉璃制品大多出自头沟区。景泰二年（1451），为加强西部防御能力，在区境内沿河口设守备营，驻守要塞，辖石港口、东小龙门口、天津关口、洪水峪口、黎元岭口等17处隘口，总长200多公里。此后，又在境内沿河城、斋堂城修筑要塞，并派抗侯名将戚继光在境内加修长城和敌台，驻兵把守40余公里，成为京师西部、北部防线的重要组成部分。其文物遗址亦是今境内旅游的一道风景线。
鸦片战争后，随着西方经济势力的侵入，刺激了国内民族工业的发展。1872年，清政府在区境内创办了北京第一家以蒸气动力为提升设备的近代工业——通兴煤矿（今门头沟煤矿前身）。1883年，又创办了北京第一家近代机械工厂——神机营机器局，制造新式火炮。
中华民国三年（1914）10月，顺天府改为京兆地方，宛平县随属。20世纪20年代，中国共产党开始在区境内宣传马列思想，建立党的组织，领导工农运动。1927年初，中共北京市委在门头沟矿区建立了第一个支部——门头沟特别直属支部。1932年，在西部山区成立了第一个党支部——田庄高小党支部，成立了第一个县委——中共宛平临时县委。到1949年建国前，中国共产党在区境内共建立了230余个支部，发展6700余名党员。“七七”事变后，八路军邓（华）宋（时轮）支队到斋堂一带开辟平西抗日根据地。1938年3月，在东斋堂材建立了北京地区最早的人民政权——宛平县政府。由于战争的发展与变化，宛平县政府辖界变动频繁。
