铜山区位于江苏省西北部，徐海地区西部，津浦、陇海两大铁路交叉点的周围，抱环徐州市，北临微山湖与山东省微山县、枣庄市搭界，南与安微省灵璧县、宿县、肖县接壤，东与邳州市、睢宁县毗邻，西北部与丰、沛两县相连。
铜山县历史非常悠久，铜山，彭祖在此立国，称“大彭氏国”，公元前约1185年为商所灭，改建崇国。
西周为吕国，春秋时吕亡于宋，为宋彭城邑。秦始皇帝二十六年（前221年）建彭城县，隶泗水郡。西汉时，仍称彭城县，属楚国（都下邳）。
三国时，彭城县为彭城国六县之一。
西晋时，彭城县属彭城国七县之一。此后，历经魏晋、南北朝、隋、唐、宋，均称彭城县，或属彭城郡，或属徐州。
元世祖至元二年（1265年），降徐州为下州，将彭城县与徐州合二为一，称徐州，属河南省归德府汴梁路。元顺帝至正十三年（1358年），改徐州为武安州。
明初，武安州复改为徐州，属中立府（即凤阳府）。清雍正十一年（1733年）升徐州为府，始置铜山县（因境内微山湖中的铜山岛而得名）。
民国元年（1912年）县境光复，废徐州府，成立铜山县自治政府，直隶江苏省。民国3年，隶徐海道。民国17年徐海道废，又直隶江苏省。民国22年，江苏省划分13个行政督察区，同年12月，行政督察区调整为9个，并以首县名称为区名，铜山县隶属铜山区；民国25年5月，行政区以序号称之，铜山为第九行政督察区辖县。民国27年5月，县境沦陷。次年2月，伪铜山县公署成立，属徐海道治安维持会。
民国29年4月，伪铜山县公署改称县政府，
民国31年1月，伪铜山县隶伪苏淮特别区。民国33年2月，伪铜山县直隶“淮海省”。
民国34年9月，铜山县伪政府被国民政府接收。这一时期（民国27年5月～34年9月），铜山县国民政府一直在境内活动。自民国30年9月始，铜东、铜东北、铜南、铜西北四地区亦有多个中共建立的抗日民主政府并存，且不断随着形势发展撤并分合。民国35年6月，铜山县隶山东省鲁南专署第三行政公署。民国37年10月，隶山东省鲁中南第五专员公署。是年12月1日，全境解放，铜山县国民政府自行消失，时境内有铜山、铜睢（民国38年1月撤销）、邳睢、萧宿铜、铜北5个县的建置和徐州市郊区所辖部分区域。民国38年4月，铜山县由隶鲁中南第五专员公署改为徐州市所辖。
1948年12月1日，淮海战役结束，铜山县全境获得解放。于此同时，铜山县被划为铜北、铜山、邳睢等三个县和徐州市郊区，属山东省所辖。
1952年5月利国区划归峄县，汴塘、耿集、黄邱三区划归兰陵县，其余区并入徐州市郊，铜山县就此撤销。为了迎接较大规模的经济建设，1953年1月遵照中共中央政务院指示，于5月撤销铜北、邳睢县和徐州市郊区，恢复了原铜山县，改属江苏省领导。当时所辖24个行政区，1个县属镇，107万余人。1953年4月，撤铜北、华山、邳睢县，以铜北县为基础恢复铜山县建置，隶江苏省徐州专区。
1954年调整为18个区、2个县属镇。1955年7月西北部3个区1个镇划给丰、沛两县。
1956年5月又将利国、柳泉、茅村、大吴等4个区划归徐州市郊区。1957年1月撤区并乡时，改变为28个乡。1958年高营乡划归徐州市郊区，余辖27个乡。1958年公社化时，成立24个公社，同年11月调整为22个公社。
1960年5月隶属徐州市；1962年6月25日复归徐州专区。
1962年，利国、柳泉、茅村、大吴等地域又相继划回铜山县。
1982年铜山县辖36个公社，4个国营农牧场，10个果园苗圃，34个农科站，664个生产大队，4912个生产队。自然村有2127个。
1983年3月，撤销徐州专区，铜山县为徐州市辖县之一。2010年9月28日，撤销铜山县，设立徐州市铜山区，隶属徐州市。
2000年4月1日，徐州市人民政府批准调整铜山县乡镇行政区划：（1）撤销沿湖乡，保留沿湖农场建制，将其政府职能划归柳新镇，实行镇管村体制（不含沿湖农场），镇政府驻柳新村。区划调整后柳新镇行政区域117平方千米，人口8.2万，辖38个村委会。（2）撤销吴邵乡，将其原辖区域并入张集镇，实行镇管村体制，镇政府驻后楼村。区划调整后张集镇行政区域159.1平方千米，人口6.86万，辖29个村委会。（3）撤销毛庄乡、徐庄乡，将这两个乡的原辖区域合并设立徐庄镇，实行镇管村体制，镇政府驻邀庄村。区划调整后徐庄镇行政区域132.6平方千米，人口6.51万，辖38个村委会。（4）撤销太山镇，将其原辖区域并入大许镇，镇政府驻大许村。区划调整后大许镇行政区域129.1平方千米，人口7.22万，辖37个村委会。（5）撤销吴桥乡，将其原辖区域并入单集镇，实行镇管村体制，镇政府驻单集村。区划调整后单集镇行政区域135.2平方千米，人口6.4万，辖33个村委会。（6）撤销吕梁乡，将其原辖区域并入伊庄镇，实行镇管村体制，镇政府驻伊庄村。区划调整后伊庄镇行政区域106.9平方千米，人口4.09万，辖24个村委会。（7）撤销郭集乡，将其原辖区域并入房村镇，实行镇管村体制，镇政府驻房村。区划调整后房村镇行政区域138.15平方千米，人口6.7万，辖36个村委会。（8）保留铜山镇、黄集镇、郑集镇、茅村镇、刘集镇、大彭镇、利国镇、大黄山镇、三堡镇、大庙镇、棠张镇、何桥乡、马坡乡、汉王乡、柳泉乡，其行政区域和乡镇政府驻地不变。（9）县属国营场圃并入邻近乡镇。（10）行政区划调整和，全县辖18个镇、4个乡：柳新镇、张集镇、徐庄镇、大许镇、单集镇、伊庄镇、房村镇、铜山镇、黄集镇、郑集镇、茅村镇、刘集镇、大彭镇、利国镇、大黄山镇、三堡镇、大庙镇、棠张镇、何桥乡、马坡乡、汉王乡、柳泉乡。
2005年5月18日，将铜山县大黄山镇和大庙镇划归徐州市鼓楼区管辖。
2007年末，铜山县辖20个镇、一个农场和一个省级经济开发区。全县有319个村（居）委会，其中村委会312个，居民委员会7个。
2008年末，铜山县辖20个镇、一个农场和一个省级经济开发区。全县有321个村（居）委会，其中村委会314个，居民委员会7个。
2009年末，铜山县辖20个乡镇、一个农场和一个省级开发区。全县有321个村（居）委会，其中村委会307个，居委会14个。
2010年撤县设区，年末，铜山区辖20个镇、8个街道办事处、1个农场和1个国家级高新技术产业开发区。全区有321个村（居）委会，其中村委会307个，居民委员会14个。
2011年末，铜山区辖20个镇、8个街道办事处、1个农场和1个国家级高新技术开发区。全区有321个村（居）委会，其中村委会307个，居民委员会14个。
2012年末，铜山区辖20个镇、8个街道办事处、1个农场和1个国家级高新技术开发区。全区有321个村（居）委会，其中村委会307个，居民委员会14个。
2013年，一、撤销铜山镇，将原铜山镇焦山、同昌、学苑、文沃、樵村、无名山6个居委会区域和桥上村委会区域与汉王镇望城、葛楼、汉沟3个村委会区域合并设立铜山街道办事处，街道办事处驻北京北路21号。二、撤销三堡镇，以原三堡镇的三堡、四堡、新何、黄桥4个居委会区域和潘楼、胜阳2个村委会区域设立三堡街道办事处，街道办事处驻府前街1号。三、将原铜山镇二堡居委会和新庄、驿城、滕寨3个村委会区域与原三堡镇台上、麦楼、龙亭3个居委会区域和榆庄、梁庄、徐村3个村委会区域，以及棠张镇晁湖村委会区域合并，设立新区街道办事处，街道办事处驻北京北路21号。区划调整后，铜山街道办事处行政区域面积52.6平方公里，人口7.2万人，管理6个居委会、4个村委会；三堡街道办事处行政区域面积35.4平方公里，人口2.25万人，管理4个居委会、2个村委会；新区街道办事处行政区域面积64.5平方公里，人口3.91万人，管理4个居委会、7个村委会；汉王镇行政区域面积64.2平方公里，人口4.1万人，辖9个村委会；棠张镇行政区域面积80.3平方公里，人口5.54万人，辖17个村委会。
2014年3月，徐庄镇划归徐州经济开发区。年末，铜山区辖17个镇、11个街道办事处、1个农场和1个国家级高新技术产业开发区。全区有304个村（居）委会，其中村委会281个，居民委员会23个。
2015年年末，铜山区辖17个镇、11个街道办事处、1个农场和1个国家级高新技术产业开发区。全区有323个村（居）委会，其中村委会294个，居民委员会29个。
截止2020年全区总面积1900平方公里，人口122.85万，辖16个镇、9个街道、1个国家高新区、1个省级经开区和吕梁山省级旅游度假区。
