秦始皇三十三年（公元前214年），南海郡成立，天河地区隶属于番禺辖地。隋朝开皇十年（590年），南海郡撤销，改番禺为南海县，天河随之成为南海县的管理区域。
唐朝贞观年间（627～649年），龙眼洞村出现了庙宇，展示了当时的文化景象。在南宋时期，区内村落逐渐形成，村民多为南迁中原的居民。
宋皇祐三年（1051年），天河再次归属番禺县管辖。元明清三朝，天河基本受番禺管辖。至清朝同治年间（1862-1874），东圃成为鹿步司的中心，管辖包括今天河、黄埔和部分白云区的地区。
民国元年（1912年），天河归属鹿步司，随着行政区划调整，天河区的范围有所扩大。新中国成立后，沙河和东圃地区多次归属不同的区县，直到1985年，天河区正式成立，包括沙河街、五山街等街道，以及沙河区、东圃区的部分乡镇。
1987年至1997年间，天河区持续扩展，新设街道如天河南、兴华、沙东、林和、棠下等，同时接管周边行政村。1999年和2000年，又有多个行政村划归天河区，进一步扩大了其行政区域。2001年和2002年，撤销部分乡镇，设立新的街道，天河区管辖街道数量达到顶峰22个。
2005年，部分区域被划归其他区，但总体上，天河区的历史沿革反映了其从古代郡县到现代行政区划的演变过程，如今成为广州市的重要区域之一。
天河区位于中国第三大城市广州市老城区的东部，东到玉树尖峰岭、吉山狮山、前进深涌一带，与黄埔区相连；南到珠江，与海珠区隔江相望；西从广州大道、杨箕、先烈东路、永福路，沿广深铁路方向达登峰，与越秀区相接；北到筲箕窝，与白云区和萝岗区相接，总面积96.33平方千米。