公元前3世纪战国时期属燕辽东郡（治襄平，今辽阳市）辖地。秦因之。西汉时属辽东郡沓氏县。三国时期魏改沓氏县为东沓县。西晋属辽东郡（国）的北丰县（今瓦房店市）。东晋时期先后为前燕、前秦、后燕属地，归平州辽东郡管辖。公元668年（唐总章元年）以后，属安东都护府积利州（今瓦房店市境内）辖地。辽代属苏州（金州）来苏县管辖。金代属东京路辽阳府复州化成县。1216年（金贞祐四年）升化成县为金州。区境属金州辖地。元代属金复州万户府。明代属金州卫。清代先后为宁海县、金州厅旅安社管辖。
中日甲午战争后，清政府于1898年（光绪二十四年）被迫与沙俄签订《旅大租地条约》、《续订旅大租地条约》，旅大沦为沙俄殖民地。沙俄当局置关东省。当时，小平岛、岔沟、营城子属旅顺行政区；革镇堡、辛寨子、柳树屯、臭水子一带属金州行政区。
1905年（光绪三十一年）日俄战争后，日本取代沙俄占领旅大，改关东省为关东州。今甘井子区域分属关东厅（关东州厅）下属的大连、旅顺及金州民政署。1937年，海猫屯会、周水子会改为区，划入大连市役所。小平岛会、栾家屯会、岔沟会、革镇堡会、周水子会的一部分划归旅顺民政署；南关岭会、大连湾会及海猫屯会的一部分划归金州民政署。1944年冬，原旅顺民政署所辖营城子会、小平岛会、栾家屯会、岔沟会、革镇堡会和金州民政署所辖的南关岭会、大连湾会改为区建置，划归大连市役所管辖。
1945年8月22日大连解放。同年11月8日大连市人民政府成立。12月，大连县人民政府成立。这是境内设置的县级政权。大连县辖甘井子、南关岭、革镇堡、西山、营城子、岔沟、大山、小平岛等8个区。1946年5月，大山区并入小平岛区，大连县改辖7个区。各区置区公所。1949年12月18日，区公所改称区人民政府。
1950年12月大连县撤销，原辖区除西山区并入沙河口区外，设甘井子、营城子、小平岛3个市辖区，隶属旅大市人民政府。
1955年4月，区人民政府改称区人民委员会。
1956年8月，小平岛区与营城子合并，置大辛寨子区，隶属旅大市人民委员会。
1959年8月，撤销大辛寨子区，辖区分别划归沙河口区、甘井子区和旅顺市。
1960年4月，甘井子区人民委员会改称甘井子区人民公社。
1961年6月，恢复甘井子区人民委员会称谓。
1968年5月，甘井子区人民委员会改称甘井子区革命委员会。
1980年8月恢复甘井子区人民政府称谓。
1984年1月，金县大连湾乡划归甘井子区。
2008年9月，凌水街道划归大连高新技术园区代管。
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