1955年5月1日，根據中華人民***和國國務院2月11日關於全國軍區重新劃分的決定，以湖北軍區為基礎，成立武漢軍區兼湖北軍區，陳再道任司令員，王任重任政治委員，負責統壹領導指揮河南、湖北兩省軍區和駐該兩省境內的陸軍、空軍、防空軍、公安軍。軍區機關駐武漢市。7月，組建武漢軍區公安軍司令部，撤銷湖北、河南兩省和武漢市的公安總隊番號。1956年4月29日，總參謀部命令將武漢軍區公安軍司令部擴編後兼湖北省軍區。同年8月1日起，武漢軍區免兼湖北省軍區。1957年2月，撤銷武漢軍區公安軍司令部番號，其所屬湖北、河南兩省的公安內衛團進行縮編。1960年4月，漢口高級步兵學校、信陽步兵學校劃歸武漢軍區建制。1961年5月，軍區司令部炮兵處擴編為軍區炮兵，下設司令部。1963年1月，成立武漢軍區衛生學校。1966年6月，以河南省軍區8個獨立營為基礎擴編為河南省軍區獨立師。9月，將湖北、河南兩省公安內衛部隊分別整編為湖北省軍區獨立師、河南省軍區獨立第2師。1967年8月，軍區司令部工程兵部擴編為軍區工程兵。1968年7月和1969年8月，先後撤銷信陽步兵學校、漢口高級步兵學校。1974年2月，成立武漢軍區軍政幹部學校（後改稱武漢軍區步兵學校，信陽陸軍學院）。3月，成立武漢軍區軍醫學校。1976年4月，軍區工程兵縮編為軍區司令部工程兵部。1978年10月，軍區司令部裝甲兵部擴編為軍區裝甲兵。1982年12月，軍區炮兵、裝甲兵分別縮編為軍區司令部炮兵部、裝甲兵部。
1985年6月，遵照中央軍委關於合並整編大軍區的命令，撤銷武漢軍區，分別與濟南軍區、廣州軍區合並。河南省軍區和駐河南省的部隊劃歸濟南軍區；湖北省軍區和駐湖北省的部隊劃歸廣州軍區。