旌陽區是由德陽縣、德陽市市中區沿革而來。
秦時屬蜀郡管轄範圍。
漢高帝六年（公元前201年），分巴蜀二郡又置廣漢郡綿竹縣，治地在今旌陽區黃許鎮，是德陽置縣之始。
東漢時，分梓潼縣置德陽縣，治地在今江油小溪壩，是德陽得名之始。後移治今遂寧龍鳳場，北周時廢。
唐高祖武德三年(公元620年)分雒縣(今廣漢)、綿竹地復置德陽縣，隸屬益州。
唐武德三年（620年）置縣。
清順治十六年（1659年）羅江縣並入德陽縣。
雍正七年（1729年）復置羅江縣。
1949年後屬綿陽專區管轄。
1959年撤銷羅江縣並入德陽縣。
1983年劃屬德陽市。
1984年撤銷德陽縣，設立市中區。
1996年撤銷市中區，分設旌陽區和羅江縣。
1997年旌陽區轄3個街道、13個鎮、7個鄉：旌陽街道、城南街道、城北街道、黃許鎮、孝泉鎮、柏隆鎮、八角井鎮、德新鎮、揚嘉鎮、天元鎮、孝感鎮、景福鎮、壽豐鎮、新中鎮、通江鎮、雙東鎮、城區鄉、旌陽鄉、東河鄉、袁家鄉、孟家鄉、東泰鄉、和新鄉。區政府駐旌陽街道。
2000年旌陽區轄4個街道、18個鎮、2個鄉： 旌陽街道、城南街道、城北街道、旌東街道、黃許鎮、孝泉鎮、八角井鎮、柏隆鎮、孝感鎮、天元鎮、景福鎮、揚嘉鎮、德新鎮、壽豐鎮、雙東鎮 、新中鎮、通江鎮、東河鎮、袁家鎮、孟家鎮、東泰鎮、和新鎮、城區鄉、旌陽鄉。
2003年8月1日，旌陽區人民政府機關辦公駐地由德陽市區泰山北路218號遷至市區黃河東路99號。
2005年9月，農村綜合改革，撤並東河、壽豐、通江、孟家、東泰、袁家、景福、城區8個鄉鎮。
2006年末全區行政區劃為11個鎮，1個鄉，即和新鎮、新中鎮、雙東鎮、黃許鎮、德新鎮、柏隆鎮、孝泉鎮、揚嘉鎮、天元鎮、八角井鎮、孝感鎮、東湖鄉（由原旌陽鄉更名）和城南、城北、工農、旌陽、旌東5個街道辦事處，***203個行政村，1643個村民小組，90個社區委員會，511個居民小組。
2008年八角井鎮劃歸德陽市代管；旌東街道辦亦屬市直管。
2013年6月8日，旌陽區行政區劃變為下轄6個街道辦事處、10個鎮、1個鄉：將東湖鄉所轄的拱橋、大地2個村和凱江、玉泉、石橋、水庫、鎮江、大山門、新馬路、黃河路8個社區居委會所屬行政區域劃歸城北街道辦事處管轄。 將天元鎮所轄的白鶴、武廟、東河、三元4個村和段家壩、黃連橋、天虹路3個社區居委會所屬行政區域劃歸城南街道辦事處管轄。 撤銷八角井鎮，設立八角井街道辦事處，轄原八角井鎮所屬行政區域。
2013年11月7日，經德陽市政府批復： 增設黃河街道、天虹街道。