秦始皇二十六年（前221）置錢唐縣，縣治設(shè)置在境內(nèi)靈隱山麓，為杭州最早的縣級行政中心，屬會稽郡。
漢魏時，錢唐縣治自靈隱山麓遷徙至錢湖門外（今上城區(qū)清波門南云居山麓附近），本區(qū)地域作為錢唐縣行政中心的地位有所減弱，但直至清，一直屬錢塘縣（唐武德四年即621年起稱錢塘縣）未變。
辛亥革命后之1912年歸屬杭縣，1927年廢錢塘道實(shí)行省縣二級制，杭縣直屬于省，本區(qū)地域始為杭縣西湖區(qū)。
是年5月劃西湖、會堡等六區(qū)置杭州市，1930年12月為杭州市第七區(qū)，1935年改稱第四區(qū)。
1949年5月建西湖區(qū)。
翌年2月建6鄉(xiāng)，6月1日改稱西湖區(qū)公所。
1952年6月20日復(fù)為市轄區(qū)，11月古蕩、花園亭2鄉(xiāng)劃入新建的古蕩區(qū)，江干區(qū)的云棲鄉(xiāng)劃歸本區(qū)。
1954年8月建街道，區(qū)轄岳墳、北山、松木場、靈隱、長橋5街道和金沙港、茅家埠、龍井、云棲、古蕩5鄉(xiāng)。
1955年5月7日，古蕩區(qū)并入，區(qū)轄6鄉(xiāng)5街道。
翌年4月將6鄉(xiāng)并整為龍井、古蕩2鄉(xiāng)。
1957年5月改為1鄉(xiāng)（龍井）和1街道（古蕩）。
1958年8月龍井鄉(xiāng)成立西湖人民公社，9月古蕩辦事處成立古蕩人民公社。
1960年5月，西湖區(qū)成立城鄉(xiāng)結(jié)合的西湖人民公社。
1961年并劃入錢塘聯(lián)社之上泗、留下2公社。
1969年春撤銷西湖區(qū)建郊區(qū)，農(nóng)村部分劃入郊區(qū)管轄，南山街道北山街道劃入上、下城區(qū)。
1972年又恢復(fù)西湖區(qū)，轄南山、北山、西溪、靈隱4街道和西湖公社。
1977年撤銷郊區(qū)，郊區(qū)原管轄的古蕩、留下、轉(zhuǎn)塘、袁浦、龍塢、石橋、上塘、康橋10公社劃入本區(qū)。
1983年11月，市設(shè)半山區(qū)，石橋、上塘、康橋3公社劃入半山區(qū)。
1986年2月，區(qū)轄北山、南山、西溪、靈隱、翠苑5街道和西湖、古蕩、留下、祥符、轉(zhuǎn)塘、周浦、袁浦、龍塢8鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）。
1996年5月9日，蕭山區(qū)（原市）浦沿、長河、西興3鎮(zhèn)和余杭區(qū)（原市）三墩鎮(zhèn)劃入本區(qū)。
同年5月24日，西興鎮(zhèn)之東湘、杜湖、湖頭陳3行政村從西湖區(qū)劃出，歸屬蕭山城湘鎮(zhèn)管轄。
7月24日，原余杭區(qū)三墩經(jīng)濟(jì)區(qū)蔣村辦事處隨區(qū)劃改稱西湖區(qū)政府蔣村辦事處。
12月12日，杭州市設(shè)濱江區(qū)，浦沿、長河、西興3鎮(zhèn)劃歸濱江區(qū)管轄；祥符鎮(zhèn)劃入拱墅區(qū)管轄。
同月30日，蔣村辦事處改為鄉(xiāng)建制。
1998年8月19日，析蔣村鄉(xiāng)駱家莊、五聯(lián)村建文新街道。
2002年4月，撤古蕩鎮(zhèn)、西湖街道、南山街道，設(shè)古蕩、西湖街道。
2007年12月，撤轉(zhuǎn)塘、留下、袁浦、龍塢4鎮(zhèn)及蔣村、周浦2鄉(xiāng)，設(shè)轉(zhuǎn)塘、留下、蔣村3街道及雙浦鎮(zhèn)。
至此，區(qū)轄10街道2鎮(zhèn)。