秦王政二十五年（前222），在今余杭區域始置余杭縣、錢唐縣，屬會稽郡。
西漢初屬楚王國，旋屬荊王國，后屬吳王國。
西漢末王莽時改錢唐為皋亭，改余杭為進睦縣。
東漢建武元年（25）復原名。
永建四年（129）改屬吳郡。
建安十六年(211)析縣西部置臨水縣（今臨安）。
三國吳黃武五年（226）改屬東安郡（今富陽）。
黃武七年廢東安郡，改屬吳郡，寶鼎元年（266），改屬吳興郡（今湖州）。
隋開皇九年（589）廢錢唐郡置杭州，州治始設余杭縣，次年移治錢唐縣。
大業三年（607）屬余杭郡。
五代后梁龍德二年（922），析錢塘、鹽官2縣各半及富春縣之長壽、安吉2鄉置錢江縣，與錢塘縣同城設治。
北宋太平興國四年（979）改錢江縣為仁和縣。
自此錢塘、仁和、余杭3縣并存至清末。
南宋屬臨安府，元屬杭州路，明、清屬杭州府。
1912年一月二十二日并錢塘、仁和縣為杭縣，同年廢府，改由省直轄。
1914年設道，屬錢塘道。
1927年廢道，又改省直轄。
同年劃杭縣6個區建立杭州市。
1935年后，屬第一行政督察區，為該區專署駐地。
1947年五月改省直轄，不久又改屬第二行政督察區。
1948年四月復屬第一行政督察區。
八月又改屬第九行政督察區。
1949年5月2日余杭縣解放，初屬第九專區（后稱臨安專區），并為專署駐地（次年專署遷臨安縣）。
1953年1月21日臨安專區撤銷，余杭改屬嘉興專區。
1953年12月5日杭縣縣政府由拱宸橋遷至原臨平鎮。
1957年9月23日余杭又改屬建德專區。
1958年4月8日杭縣撤銷、劃入杭州市設為郊區，將瓶窯鎮、長命鄉并入余杭縣，并將余杭的閑林鄉劃歸杭州。
11月21日余杭縣撤銷并入臨安縣。
1961年3月原余杭縣從臨安縣析出，并入杭州市錢塘聯社。
4月錢塘聯社改制為余杭縣，將臨安的余杭、長命等7個公社劃入，屬杭州市。
1984年余杭縣為5區6鎮50鄉。
1986年為5區14鎮39鄉。
1987年為5區19鎮34鄉。
1992年5撤區擴鎮并鄉后為23鎮7鄉。
1994年4月余杭撤縣設市。
1996年5月九堡、下沙2鄉劃入江干區，三墩鎮劃入西湖區。
2001年3月余杭撤市設區。
2021年3月撤銷杭州市余杭區,設立新的杭州市余杭區,以原余杭區的余杭街道、倉前街道、閑林街道、五常街道、中泰街道、仁和街道、良渚街道、瓶窯鎮、徑山鎮、黃湖鎮、鸕鳥鎮、百丈鎮的行政區域為新的余杭區的行政區域。