呼兰因呼兰河得名。呼兰，一说是女真语“忽剌温”的音转；一说是满语“烟囱”。
呼兰地区先秦时代属息慎；汉代属夫余国；北魏属勿吉；南北朝属豆莫娄；隋属黑水靺鞨；唐属黑水都督府；五代属契丹（辽）东京道铁骊部，为徒单部、纥石烈部所在地；金代属上京会宁府，诞生最早的村落胡剌温屯；元属辽阳行省开元路；明属奴尔干都司兀者诸卫及塔山卫，后为海西女真活动中心地区，明末由建州女真、后金统辖。清初属盛京内务府、宁古塔将军；清康熙二十二年（1683年）属黑龙江将军，在呼兰河流域设卡伦8处，其一在呼兰河口。

清雍正十二年十二月初三（1734年12月27日），清廷批准设立呼兰城，呼兰始有建制，直隶黑龙江将军。同治元年（1862年)，置呼兰厅，与呼兰城分疆而治，呼兰厅是呼兰地区最早的行政机构，也是黑龙江省设立民官之始。光绪三十年十二月二十四日（1905年1月29日），清廷批准设呼兰府。1913年，依中华民国大总统令撤销呼兰府，改设呼兰县，隶属黑龙江省。1932年隶属伪满洲国黑龙江省。1934年改属伪滨江省。1936年改属伪哈尔滨特别市。1937年撤销伪哈尔滨特别市，改属伪滨江省管辖。

1945年10月，隶属苏联红军军事管制下的滨江省。1945年11月，中共地下党组织以和平方式接收呼兰县政权，民主的呼兰县政府诞生，隶属滨江省哈北专员公署。1946年1月，呼兰宣布自治，脱离国民党政权设立的松江省政府。同年4月，中共领导的松江省政府成立，呼兰县隶属松江省哈北专员公署。1947年哈北专员公署撤销，隶属松江省政府。1954年8月，隶属松江省与黑龙江省合并后的黑龙江省。1956年3月，隶属黑龙江省绥化专署。1958年8月，隶属哈尔滨市。1965年6月，隶属松花江专区。1983年9月，隶属哈尔滨市。
2004年2月，国务院批准撤销呼兰县，设立哈尔滨市呼兰区。2004年2月4日，国务院批复，撤销呼兰县，设立哈尔滨市呼兰区，以原呼兰县行政区域（不包含乐业、对青山2个镇）为呼兰区的行政区划。同年5月30日，呼兰区举行挂牌仪式，正式列为哈尔滨市一个新区——呼兰区。