三元区的历史渊源可追溯至唐代，其名源于一个家族的传奇故事。当时，安氏产下一子三胞胎，分别名为龙元、狮元和豺元，他们的卓越才能广为人知，因此地名便定为三元。在宋代，三元区只是沙县二十二都中的一个小村庄。到了明代中叶，这里开始发展，逐渐成为城镇，明清时期设为三元里。进入民国，三元区经历了多次行政区划的变迁，先是1928年从沙县独立设立三元特种区，随后在1929年，又与沙县、明溪、永安县的部分地区合并，成立了三元县，原三元镇改称三民镇。
解放初期，1950年，三民镇依然归属三元县梅列区管辖。1954年，三民镇更名为城关镇，继续隶属于梅列区。1956年，随着三明县的成立，由三元和明溪两县合并而成，取两地首字，称为三明县。随后，1959年成立了三明人民公社，下辖多个农村人民公社。1961年，城关人民公社进行了行政区划调整，设立城区办事处，分设城关、列东、列西三个分社。1963年，三明市独立建置，脱离明溪县，归属三明专员公署。1970年，三明市的行政范围扩大，包括城区办事处和多个公社及荆西镇政府。
1983年，国务院批准撤销三明地区行政公署，三明市直接由省级管辖，此时设立了市辖县级三元行政区，标志着三元区在历史长河中的地位进一步巩固。
三元：“元”为始、开端的意思，农历正月初一这一天为年、季、月之始，故称“三元”。“三元”又是解元、会元、状元的合称。三元，在道教教义中原指宇宙生成的本原和道教经典产生的源流，隋唐以后又衍化为道教神仙和道教主要节日的名称，延续至今。