天河区位于广州市老城区东部。
天河区得名于区内的天河体育中心。天河体育中心始建于1984年7月4日，原址为天河机场。天河机场建成于1930年，因机场建在天河村的土地上，故名。天河村原名大水圳村，建于宋代，因村前有一条大水圳而得名（圳为河涌，指现在的沙河涌）。民国年间改名天河村。
建国前，辖区内基本上属番禺县管辖。建国后，辖区曾多次变更，沙河地区先后隶属于广州市沙河区、石牌区、冼猎杨区、白云区、东区和郊区；东圃地区先后隶属于番禺县、郊区和黄埔区。1956年6月后，辖区曾一度归属广州市郊区。1960年5月和1973年2月，东圃地区两次转归黄埔区。1973年10月至1985年5月建区前，辖区全部属广州市郊区。1984年7月27日，中共广州市委正式发文作出筹建天河区的决定。“天河区”这个名称首次出现在文件上。1985年5月24日，国务院发文同意设立天河区，天河区从此定名。
2005年4月28日，国务院批准（国函[2005]35号）：将天河区的登峰街道、天河南街道的杨箕和中山一2个居委会、沙东街道部分区域划归越秀区管辖；天河区新塘街道的玉树村划归萝岗区管辖。调整前，天河区面积141平方千米，人口58万（2001年）。
