水磨溝區(qū)域歷史久遠。秦代至西漢初期,今水磨溝區(qū)區(qū)境為車師游牧之地。西漢宣帝神爵二年(公元前60年),漢朝統(tǒng)一西域,在烏壘設(shè)西域都護府,統(tǒng)領(lǐng)西域各國,今水磨溝區(qū)域歸西域都護府管轄,正式納入西漢版圖。唐代,水磨溝區(qū)屬輪臺縣管轄,歸安西都護府節(jié)制。宋元時期,區(qū)境屬別失八里行書省。明代,今區(qū)境先后屬蒙古厄魯特的和碩特部和準噶爾部。清代,區(qū)境先后隸屬于迪化直隸州、迪化府、迪化縣,并在現(xiàn)六道灣、七道灣建立惠來堡、屢豐堡,實行屯田。新中國成立后,隸屬于烏魯木齊市(1954年前為迪化市)。1956年5月,從烏魯木齊市五區(qū)和烏魯木齊縣一區(qū)各劃出一部分成立水磨溝工礦區(qū)。1969年又將八道灣鎮(zhèn)劃歸水磨溝工礦區(qū),1969年更名為水磨溝區(qū)。