大东区是沈阳市老城区之一，初建于1938年1 月，因位于市区东部，地处“抚近门”(大东门)以东而得名。1938年1月，伪奉天公署颁布《奉天市区条例》，将全市划为 11个行政区，首次出现大东区名称。

当年，大东域内划为大东、沈海2个区。1941年，伪奉天市又将 11个行政区改划为17个区，大东域内由2个区划为4个区，即大东区、东关区、北关区、沈海区。1945年10月，沈阳市民主联合政府将17个区调整为11个区，将大东区、东关区，东陵区合并为大东区，将北关、沈海合并为北关区。1947年，国民党统治时期，把全市划为 22个区，大东域内又呈现4个区，即大东、东关、北关、沈海。1948年 11 月，沈阳特别市政府将全市划为8个行政区，大东域内为大东区、东关区、北关区、沈海区和东陵分区(1951年撤销)。

1956年8月，沈阳市人民委员会将隶属东郊区英达、高坎、满堂3个乡划归大东区，将原属北郊区大洼、前进2个乡和辉山畜牧场划归北关区。1959年2月，沈阳市人民委员会调整市区建制，将8个城区调整为5个，大东与北关合并为新大东区，北关区建制撤销。1964年4月，沈阳市政府建立东陵区，将英达、满堂、高坎、东陵、沈海、大洼、榆林堡、朱尔、木匠、文官 10个农村人民公社和辉山畜牧场从大东区划到新设立东陵区管辖。1971年1月，文官公社从东陵区划出，归入大东区。

从1995年末到2002年，大东区域内行政建制一直保持稳定不变。2003年，沈阳市将原属东陵区朱尔村、木匠屯村划归大东区，两村带入土地面积8.2平方千米。2005年，鉴于大东区与原新城子区签约联手开发欧盟经济园区，经沈阳市政府批准，将东陵区和沈北新区蒲河附近 12 平方千米土地划归大东区，为开发沈阳-欧盟工业园区使用，大东区土地面积 55.5平方千米(使用面积 67平方千米)。2005年8月，根据沈阳市统一部署，大东区对部分街道办事处进行调整。将管城街道并入万泉街道，小东街道与小津桥街道合并为津桥街道，全区所辖街道由15个减至13个。街道所辖居民委员会在新形势下改建为社区委员会。

2010年，大东区划入东陵区前进街道长大铁路以东土地，英达街道三环以内土地以及东贸路以北，高官台街以西土地，实现与欧盟开发区的连接。将沈河区万莲街道万泉街以东、万柳塘路以北区域划归大东区万泉街道；将东陵区前进街道长大铁路线以东区域划归大东区，保留前进街道建制，办公驻地不变；将东陵区英达街道三环高速路以西区域划归大东区前进街道；将东陵区东陵街道东贸路以北、高官台街以西区域划归大东区东站街道；将东陵区东陵街道联盛南巷至凌云街以西，凌云街以西至新开河，新开河以南、凌云街以西区域划归大东区新东街道；将东陵区东陵街道凌云街以南、方凌路以西区域划归大东区长安街道；将沈北新区虎石台街道、辉山街道平望路以南、虎石台大街(203 国道)以东、黄泥河以西区域划归大东区文官街道；将大东区大北街道、小北街道北顺城路以南，万泉街道、津桥街道东顺城街以西区域划归沈河区皇城街道；将大东区长安街道东塔机场东南边界以南部分区域划归沈河区东陵街道。

2010年5月，拆分原珠林街道管辖范围，设立小东街道；原大北、小北2个街道合并为大北街道；拆分原二台子街道管辖范围，设立上园街道；调整原辽沈街道管辖范围，并更名为北海街道，2010年8月，大东区撤销珠林街道办事处、小北街道办事处，设立小东街道办事处、上园街道办事处，将辽沈街道办事处更名为北海街道办事处，并调整其14个街道办事处行政管辖区域范围。