大同区名来源于大同镇名。原属肇州县管辖，1946年2月，设置第五区。
1955年5月，改为大同区，1956年并村划乡撤销区的建制，乡、镇由县直辖。1959年11月，以“松基三井”所在地（今高台子镇永胜村）为中心，设立大庆区，隶属肇州县。
1960年5月，将大庆区划归安达市管辖，1964年2月更名为大同区。
1965年5月，恢复安达县，撤销大同区，将原大同区所属各公社全部划归安达县管辖。
1978年4月16日，经省革委会批准，将安达县所属的大同镇、高台子、八井子、庆阳山、老山头、葡萄花、兴隆泉、祝三、大青山、双榆树等10个公社和红旗林尝立志办事处划归安达市管辖，同时复设大同区（1979年7月16日，省革委会正式批准），管辖原大同区管辖的公社。
1979年12月，安达市更名为大庆市，隶属大庆市管辖。
1992年，大同区位于市境南部，东北与安达市接壤，东南与肇州县毗邻，西南与肇源县分界，西北与杜尔伯特蒙古族自治县相连。全区总面积2235平方公里。全区共辖新华、高平、庆葡、八村、立志、林源等6个街道办事处和10个乡、镇。