天水因“天河注水”的傳說而得名。夏、商時期屬雍州。周孝王十二年（公元前九世紀）贏非子在秦池（今張家川縣城南一帶）為王室養馬有功被封于秦，號贏秦。秦即后世的秦亭，是今天水市轄區見于史籍的最早地名。秦武公十年（前688年），秦滅邽戎、冀戎，置邽（今天水市城區）、冀（今甘谷縣東）二縣，這是中國歷史上設置最早的兩個縣級建置。秦昭王二十八年（279年），設隴西郡。
西漢武帝元鼎三年（前114年），從隴西、北地二郡析置天水郡。從此有“天水”的名稱。三國魏黃初元年（220年）一度設秦州，因秦邑而得名。晉泰始五年（269年）正式設秦州，今轄區大部分由秦州天水郡轄。隋唐時秦州地域和今轄區大體相當。元代，秦州轄成紀、秦安、清水3縣。明代，秦州轄秦安、清水、禮縣3縣。清雍正七年（1729年），秦州升為直隸州，直隸甘肅省，轄秦安、清水、兩當、徽縣、禮縣5縣。
民國二年（1913年）2月，改稱隴南道。撤秦州設天水縣。民國三年1月，寧遠縣改稱武山縣。6月，隴南道改稱渭川道，轄14縣。民國十六年（1927年）7月，渭川道改稱渭川行政區。不久，撤銷行政區，實行純粹的省縣二級制。民國十八年（1929年），伏羌縣改名甘谷縣。民國二十三年（1934年），甘肅省政府設立天水行政督察區。次年，改稱甘肅省第四行政督察區，轄10縣。
1949年8月3日，天水縣解放。8月15日，天水分區行政督察區成立，轄天水、甘谷、武山、徽縣、兩當、通渭、秦安、清水8縣。同年12月，天水分區改稱天水專區。1950年2月，析天水縣置天水市，以城區為天水市的行政區域。5月25日，平涼專區析出莊浪縣劃歸天水專區；撤銷岷縣專區，所屬隴西、漳縣劃歸天水專區。天水專區轄天水市及天水、秦安、徽縣、兩當、武山、漳縣、甘谷、清水、莊浪、隴西、通渭11縣，81個區公所，614個鄉。1952年，天水專區轄91個區公所，635個鄉。
1953年7月6日，將清水、秦安、莊浪、隴縣38鄉合并成立張家川回族自治區（1955年10月改稱縣），屬天水專區。同年底，天水專區轄1市12縣887個鄉。1956年1月，天水專區的隴西縣、通渭縣劃歸定西專區，武都專區的禮縣、西和、成縣劃歸天水專區，天水專區的莊浪縣劃歸平涼專區。同年底，天水專區轄天水市及天水、秦安、禮縣、西和、成縣、徽縣、兩當、武山、漳縣、甘谷、清水、張家川12縣，67個區，531個鄉，9個鎮，9個街道辦事處。
1958年4月4日，撤銷兩當并入徽縣。4月8日，撤銷武都專區，所轄宕昌、文縣、武都、康縣、岷縣5縣劃歸天水專區。9月5日，撤銷西和縣、禮縣，合并成立西禮縣；撤銷徽縣、成縣，合并成立徽成縣。12月16日，天水專區的岷縣劃歸定西專區。12月20日，撤銷天水縣劃歸天水市；甘谷、漳縣、武山合并成立武山縣；撤銷張家川縣和清水縣，合并成立清水回族自治縣。同年實現人民公社化，實行政社合一體制。天水專區轄天水市及秦安、清水、武山、西禮、徽成、武都、文縣8縣，129個公社，4個街道辦事處。
1961年11月5日，恢復武都專區。原劃歸天水專區的武都、宕昌、康縣、成縣、文縣仍劃歸武都專區。12月15日，恢復天水、甘谷、漳縣、兩當、西和、禮縣、清水縣和張家川回族自治縣。漳縣劃歸臨洮專區。至年底，天水專區轄天水市及天水、西和、禮縣、徽縣、兩當、武山、甘谷、秦安、清水、張家川等10個縣，60個區，440個公社，4個街道辦事處。
1963年10月23日，撤銷臨洮專區，將其所屬漳縣劃歸天水專區。天水專區轄1市11縣，482個公社，3個鎮，4個街道辦事處。1969年10月1日，天水專區改稱天水地區。轄天水市、天水縣、甘谷縣、武山縣、清水縣、張川縣、秦安縣、徽縣、兩當縣、禮縣、漳縣等1市11縣，223個公社，5個鎮，4個街道辦事處。1980年，天水地區轄1市11縣，232個公社，5個鎮，8個街道辦事處。1983年，政社分設，改社為鄉。
1985年7月8日，國務院批準，撤銷天水地區，天水市升為地級市。撤銷天水縣、將其行政區域并入天水市。天水市設立秦城、北道兩區。以天水縣西南17鄉及原天水市（縣級）轄區設秦城區，以天水縣東南、西北其余22鄉和北道鎮設北道區。天水市人民政府駐秦城區。將原天水地區的徽縣、兩當、西和、禮縣劃歸新成立的隴南地區；漳縣劃歸定西地區。天水市轄兩區五縣；即秦城、北道兩區，秦安、清水、張家川、甘谷、武山等5縣，138個鄉，11個鎮，11個街道辦事處。
2000年第五次人口普查，天水市常住總人口3219323人，其中，秦城區604070人、北道區542916人、清水縣279207人、秦安縣545273人、甘谷縣553377人、武山縣399911人、張家川回族自治縣294569人。2002年末，天水市轄秦城、北道2區，秦安、清水、甘谷、武山、張家川回族自治縣5縣，40個鎮、109個鄉、11個街道。2003年，全市共撤并鄉鎮36個、街道1個；調整后，天水市轄113個鄉鎮（46個鎮，67個鄉）、10個街道。
2004年9月30日，民政部批準（民函[2004]244號）同意天水市秦城區更名為秦州區、北道區更名為麥積區；（甘肅省人民政府2004年11月2日批準 甘政函[2004]99號）。2005年1月1日，秦城區以古秦州取名，正式改稱秦州區；北道區以國家重點風景名勝區麥積山風景區取名，正式改稱麥積區。
2010年第六次人口普查，天水市常住總人口3262548人，其中，秦州區643906人，麥積區553268人，清水縣266908人，秦安縣515423人，甘谷縣559712人，武山縣437268人，張家川縣286063人。
2021年第七次人口普查，天水市常住總人口為2984659人，與2010年第六次全國人口普查時的3262548人相比，減少了277889人，年平均增長-0.89%。
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