天河区名来源于1984年兴建的天河体育中心，而天河体育中心名称来源于1930年建在这里的广州天河机场，天河机场名称来源于天河村。天河村，原名大水圳，在1926年由于军阀李福林将所在的大塘村改名为天池村，而大塘村的李氏与天河村的李氏同宗，经李福林的提议，改名为天河村。
1953年，广州市归国华侨学生补习班学校在石牌村东面的太婆山，也即今天暨南大学校内的西北面创办；
1956年，黄埔大道建成通车，横穿过石牌村的南面；
1956年，广东教育行政学院在石牌鸦岗（今岗顶）兴建，现址中山大学附属第三医院；
1958年9月，暨南大学在石牌村东面重建开学。
1985年5月24日，天河区经国务院批准成立，从广州市郊区分出，成为广州市辖行政区。新建区时，有两镇四街：沙河区（镇）（含同和乡、京溪乡）、东圃区（镇），以及沙河街、五山街、员村街、车陂街。当时面积102.5平方公里，人口20.04万人。此后辖区经过多次变化。1987年9月，同和镇（由同和乡和京溪乡组成）划归白云区管辖。
1992年4月，杨箕村从东山区划归天河区。1994年2月，原市农工商联合总公司凤凰农工商公司属下的柯木塱、渔沙坦两行政村划归天河区。1994年8月，沙东村二队（自然村）从东山区划归天河区。2000年9月，原属广州市新塘农工商公司的新塘、沐陂、凌塘、玉树4个行政村移交给天河区。2005年6月7日，登峰街和杨箕村划归越秀，新塘街的玉树村划归萝岗区。随着天河区城市化的发展，乡村逐渐由行政村改设行政街，2002年12月，沙河镇和东圃镇撤销。
天河区行政区域总面积约137.38平方公里，辖有21个行政街：
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