天河区的历史悠久，可追溯至新石器时期，那时已有先民在此居住生活。1957至2002年间，于天河区东北部的飞鹅岭及龙洞村发现的新石器与陶器遗存，为这一地区古老的人类活动提供了实物证据。此外，吉山村东汉时期的墓葬和沙河顶西晋时期的墓群，进一步揭示了区域悠久的历史底蕴。南宋时期，随着中原人口的南迁，天河区各村落逐渐形成，其中龙洞村在唐朝贞观年间便已建立了庙宇。
在近代史上，天河区的行政归属历经变迁。直至中华人民共和国成立之前，该区域大体属于番禺县管辖。建国之后，天河区的行政划分经历了多次调整。1973年10月至1985年5月间，天河区全境归广州市郊区管辖。直到1985年5月24日，天河区正式从广州市郊区分离，成为直属于广州市的一个行政区。建区之初，天河区下辖沙河街、五山街、员村街、车陂街以及沙河区镇（含同和乡、京溪乡）和东圃区镇，总面积102.5平方公里，居民人口约为20.04万。
此后，天河区的行政范围不断经历调整。例如，1987年9月，同和镇划归广州市白云区；1992年4月，杨箕村由东山区划入天河区；1994年3月，柯木塱和渔沙坦两村也加入天河区的版图。同年8月，沙东村的一部分自然村同样划入天河区。进入新世纪，2000年9月，新塘、沐陂、凌塘、玉树四个行政村由市新塘农工商公司移交给天河区管理。
天河区在快速推进城市化的过程中，近郊的乡村地区顺应发展潮流，逐步转型为新的行政街区。这一转变在1991年至2000年间尤为显著，期间天河区内新成立了8条行政街，大大加速了区域的城市化进程和管理现代化。
至2000年底，天河区的行政架构已经包括了14个行政街，它们分别是：沙河街、五山街、车陂街、员村街、石牌街、登峰街、天河南街、林和街、沙东街、兴华街、棠下街、猎德街、冼村街以及天园街；此外，还包括沙河镇和东圃镇这2个镇级行政单位。
天河区作为广州市的重要组成部分，其行政区划涵盖了广泛的地理和社会范围，具体由21个街道构成，这些街道分别是五山、员村、车陂、沙河、石牌、兴华、沙东、林和、棠下、猎德、冼村、天园、天河南、元岗、黄村、龙洞、长兴、凤凰、前进、珠吉以及新塘。为了更好地服务于这些区域，天河区设置了与之对应的22个街道办事处，确保了基层管理和服务的有效实施。
此外，天河区还拥有两个重要的政府派出机构——广州高新技术产业开发区天河科技园和天河软件园，这两个园区不仅作为科技创新和产业发展的重要平台，同时也是天河区政府推动区域经济转型升级、促进高新技术产业集聚的战略举措。它们在天河区的经济发展中扮演着至关重要的角色，展示了该区在信息化、工业化深度融合方面取得的显著成果。这样的行政区划与功能布局，充分体现了天河区在推动经济社会全面发展、构建现代化城区方面的积极探索和实践。
