1980年4月，設烈山區。
1992年，濉溪縣宋疃鄉劃入烈山區，設宋疃鎮。
1996年，烈山區轄3街2鎮。
2004年，濉溪縣撤銷馬橋鄉，并入新蔡鎮，同時將新蔡鎮劃入淮北市烈山區，下轄3鎮，5個街道。
2004年底，烈山區轄4個街道、3個鎮。
2006年3月，烈山區將原有的3個鎮4個街道辦事處調整為2個鄉鎮，5個街道。
濉溪縣原趙集鄉與原古饒鎮合并，成立新的古饒鎮，同時劃入烈山區。
2007年，進行村級區劃調整，由84個改為50個。
2008年進行社區區劃調整，將原社區調整為32個，村委會改居委會2個；調整后全區共有社區34個。
截至2021年，烈山區轄5個街道、3個鎮。