海勃湾区历史悠久，从桌子山岩画透露出的信息判断，早在新石器时代，海勃湾地区曾留下过北方游牧民族活动的足迹。奴隶制解体前后的夏周时期，这里就是北方民族繁衍生息之地。春秋时期为白霍（即猃狁之族）牧地。战国时期属林胡牧地。秦灭六国统一中原后，将全国分为36郡，海勃湾区隶属北地郡。在此后漫长的岁月里，海勃湾区境内先后成为蒙古族、汉族、回族、满族等20余个民族活动的场所。到明中叶以后，海勃湾地区为鄂尔多斯部的游牧地。到中华民国时期，海勃湾地区先后隶属绥远特别行政区、宁夏回族自治区磴口县、绥远省沃野县、宁夏回族自治区陶乐县辖境。

1949年，中华人民共和国成立后，海勃湾地区隶属伊克昭盟鄂托克旗第三区（阿尔巴斯苏木）。1955年，从鄂托克旗分出，设立桌子山矿区办事处。1959年4月，经内蒙古自治区民委员会批准，撤销桌子山矿区办事处，成立桌子山矿区人民委员会（为县级建制），隶属伊克昭盟管辖。办公地址由拉僧庙迁至海勃湾。

1961年7月，经国务院批准，撤销桌子山矿区人民委员会，成立海勃湾市（县级），属伊克昭盟直辖市。

1976年1月10日，经国务院批准，撤销海勃湾和乌达2个县级市，合并成立乌海市（地级建制），为内蒙古自治区直辖市，辖乌达、海勃湾、拉僧庙3个县级办事处。

1980年1月1日，根据内蒙古自治区革命委员会《关于乌海市设立辖区问题的批复》，乌海市所辖的3个县级办事处更名为直辖区，海勃湾办事处更名为海勃湾区。此后，海勃湾区行政建制及名称再未进行变更。