溫泉鎮位于北京城區的西北郊，海淀北部新區的南部。這里上風上水，依山傍水，在歷史上山水薈萃，園林別墅眾多。
歷史記載表明，現溫泉鎮域在明代以前大體屬昌平縣（前身軍都縣），其中西南部唐末至金初可能曾屬玉河縣。明后期大體以今百望山至溫泉道路為界，其北太舟塢、楊家莊、東埠頭一帶屬昌平縣（州），其南白家疃、溫泉及高里掌、辛莊一帶屬宛平縣。至清代康熙初年，溫泉、白家疃一帶劃入城屬地區，高里掌、辛莊一帶為宛平縣直轄地。1928年6月，城屬地區劃為北平市行政區域。溫泉、白家疃一帶和冷泉地區是當時“山后”僅有的北平市轄地，屬西郊區，1947年3月，又劃入北平市第十七區。抗日戰爭和解放戰爭中當地是0領導的人民武裝的游擊區，行政上屬昌宛縣（昌宛房、昌宛懷）工作范圍。1948年12月，現鎮域解放，分屬北平市十七區、宛平縣和昌順縣。在現鎮域內十七區設溫泉、白家疃兩村（行政村）；宛平縣設高里掌、辛莊兩村（屬八區，后劃為六區）；昌順縣設東埠頭、楊家莊（一稱楊各莊）、太舟塢3村（屬十一區，后劃入六區）。
1949年7月，溫泉等地劃歸新設的北平市十六區（后改為十三區、海淀區）。10月，昌順縣改為昌平縣。宛平縣、昌平縣1950年2月、6月兩次調整區建置，高里掌、辛莊先后劃入宛平縣五區、三區，太舟塢等地劃入昌平縣二區。1950年10月，原屬昌平縣管轄的黑龍潭風景區劃歸北京市（屬十三區）。1952年9月，宛平縣撤銷，高里掌、辛莊、北安河等10村劃歸海淀區。1953年5月，行政村改鄉，現鎮域設海淀區溫泉（高里掌、辛莊并入）、白家疃鄉，昌平縣設東埠頭鄉（原楊家莊、東埠頭、太舟塢合并）。1956年2月，昌平縣劃入北京市行政區域，東埠頭鄉隨之成為北京市轄地。3月原溫泉、白家疃和冷泉鄉合并為新的溫泉鄉，昌平區原東埠頭并入新的永豐屯鄉。1955年底，當地實現農業合作化，到1957年初現鄉域內溫泉鄉有“溫泉”社，永豐屯鄉有“曙光”社，直至1958年8月。
1958年9月1日，當時海淀區溫泉鄉及“溫泉”社、“五四”社（冷泉）劃歸昌平區，和永豐屯鄉等地區并入新成立的先鋒人民公社。10月7日，先鋒公社大部分（包括現鎮域全部）又劃歸海淀區，并入新成立的永豐人民公社。1961年4月，永豐公社結束，以1956年初溫泉、白家疃、冷泉、東埠頭鄉域成立溫泉人民公社。1959年8月成立的冷泉畜牧場屬溫泉公社行政區域范圍（1970年1月劃歸溫泉公社領導）。1978年12月，冷泉地區劃歸東北旺公社（中日友好公社）。1984年4月9日，成立溫泉鄉，人民公社體制結束，鄉集體經濟組織定名為鄉農工商總公司。1990年4月，溫泉鄉在全區農村率先成立鄉經濟合作聯社（與鄉農工商總公司為“一個組織、兩個名稱”）和各村經濟合作社。1993年5月，北京市民政局批復同意設溫泉鎮。至1997年5月30日，海淀區政府批復同意，自即日起，撤銷溫泉鄉，設立溫泉鎮，以原溫泉鄉行政區域為溫泉鎮行政區域。鎮黨政機關原駐白家疃村西部。2000年11月遷至白家疃村北300米處新址。
隨著21世紀以來的大力開發建設，溫泉已成為海淀北部新區最具規模的商業區和現代化居住區。