先秦时期巴蜀经历了蚕丛、鱼凫、杜宇、开明几个时期。开明氏王朝末年修筑金牛道，经过仙海区。

公元前316年，秦惠文王派司马错率军经仙海区金牛道，灭开明氏王朝，仙海区纳入秦国版图。公元前285年，秦国以原蜀国地设蜀郡，仙海区属蜀郡管辖。

公元前201年，汉高祖分出蜀郡北部地区设置广汉郡，下设十三县。仙海区属广汉郡涪县。

214年，刘备代替刘璋成为益州牧。分广汉郡北部为梓潼郡，辖七县一亭，266年，西晋武帝分益州置梁州。仙海区属梁州梓潼郡涪县管辖。

553年，西魏占领四川。在原梓潼郡设置潼州，下辖巴西、涪城等四郡，巴西郡辖四县，仙海区属巴西郡巴西县管辖。

581年，杨坚建立隋朝，实行州、县二级制，改潼州为绵州，大业三年（607年）隋炀帝改绵州为金山郡，下辖7县，仙海区属巴西县管辖。

618年，唐朝建立后，地方行政机构设道、州（郡）、县三级制，绵阳市境属剑南道，肃宗后属剑南东道。唐高祖武德元年（618年）改金山郡为绵州，玄宗天宝元年（742年）改为巴西郡，肃宗时又改称绵州，故习惯上连称绵州巴西郡，其下辖巴西、魏城、神泉等县，仙海区属巴西县管辖。到唐代，废督邮， 以吏主驿事，驿道得到很大发展。在金牛道上设17个驿，在仙海区设奉济驿。

964年，北宋灭后蜀。将其疆土分成益州、梓州、利州、夔州四路，合称川峡四路，简称“四川”。仙海区属益州路巴西县管辖。巴西县下辖二十二乡、五镇。仙海为奉济镇。

1279年，元朝占领四川全境。1286年正式建置四川行省，省下辖路、府、州、县。仙海区属成都路潼川府绵州直辖（州所在地不再设县）。贯穿境内的金牛道得到了进一步整治。元代在全国广置驿站，金牛道上可考之元代驿站有20个，其中仙海区设有沉香铺。

1368年，明王朝建立。实行省、府（州）、县三级。绵州为本州，下不设县。仙海区属四川省绵州直辖，仍设有沉香铺。

清王朝统治了绵阳市境之后，地方机构的设置基本上沿袭明代，1727年（雍正五年），升绵州为直隶州。绵州下辖东、南、西、北四乡。仙海区属四川省绵州东乡。在仙海区内自西而东设有抗香铺、蔡家桥铺、沉香铺、铜瓦铺。

辛亥革命后，民国时期将清代的州、府、厅的建制撤消，县直隶于省。1913年（民国二年），绵州取消，改名为绵阳县（因县城在绵山之南）。县下仍设四乡三十一里，仙海区属四川省绵阳县东乡管辖。

1915年（民国四年），仍设四乡，将三十一里改为三十一区。1932年（民国二十一年），将三十一区合并为十五区，全县共四乡十五区。仙海属东乡第三区。

1937年（民国二十六年），绵阳县将沉香铺和抗香铺各缀一字命名为沉抗，仙海区属第三区第23联保。

1941年（民国三十年），置沉抗乡，治所沉香铺，仙海区属魏城镇管辖。

1951年，沉抗乡归属绵阳行政区第七区，区驻地新桥。仙海区属新桥区管辖。

1958年，沉抗乡改名为沉抗公社，仙海区属魏城区管辖。

1966年，沉抗公社改名为向阳公社，仙海区属新桥区革命委员会管辖。

1978年，向阳公社又重新改名为沉抗公社，仙海区隶属新桥区公所。

1985年，绵阳撤市改为市中区。沉抗公社改名为沉抗镇，仙海区隶属新桥区。

1993年，将沉抗乡、建华乡合并，成立新的沉抗镇，属游仙区管辖。

2003年6月，中共绵阳市委、绵阳市人民政府决定，将仙海风景区与游仙区原沉抗镇的全部，魏城、新桥两镇的部分村合并，成立绵阳市仙海水利经济开发区。开发区党工委、管委会为绵阳市委、市政府派出机构，直属绵阳市市委、市政府。享有县级行政管理权和市级经济管理权。同年7月，仙海水利经济开发区正式挂牌。

2003年10月，中共绵阳市委、绵阳市人民政府决定将仙海更名为绵阳市仙海水利风景区。

2008年2月，中共绵阳市委、绵阳市人民政府决定将绵阳市仙海水利风景区对外统称绵阳市仙海旅游度假区。