北投地區早在距今6,500年前已有人類居住，目前已發現的新石器時代史前文化遺址共有15處，文化內涵豐富，從最早的大坌坑文化，到芝山岩文化、圓山文化、植物園文化，以及距今最晚近的鐵器時代十三行晚期文化，另外，也有可能為平埔族舊社的遺址。

北投區平埔族凱達格蘭族主要社群，包括北投社、唭哩岸社、嗄嘮別社。北投社人在17世紀西荷時期已開始以硫磺與外人交換日用品。唭哩岸社在1654年的紀錄中顯示已有相當程度的發展，嗄嘮別社亦見於1654年地圖中。隨著漢人入墾，該二社清治時期應已併入北投社。

清康熙52年（1713）鄭珍、賴科、朱焜侯、王謨等人，以「陳和議」戶名，請墾北投庄、海山庄、坑仔口，漢人開始大規模拓墾北投。雍正、乾隆年間，七 星墩圳、八仙圳與唭哩岸圳等水利設施開鑿，乾隆年間唭哩岸街發展成淡北最早的街肆，是北投的政治、商業中心。石牌地區於雍正、乾隆之初，漢人墾民與平埔族 人因土地問題時起爭端，乾隆年間淡水同知曾曰瑛於埔漢交界處立界碑，以絕埔漢爭域，遂有石牌地名。嗄嘮別（關渡）地區於清康熙54年（1715），通事賴科糾集北投住民，將天妃廟（今關渡宮）易茅以瓦，可知康熙末年漢人已開墾淡水、關渡一帶有成。北投地區早期漢人移民祖籍地及區域分布，在平原地帶漳泉移民混雜，但又以泉州同安人為多；山區頂北投、竹子湖區域，則以泉州安溪移民為多。

北投區在荷西與鄭氏時期，荷蘭設置半自治型態的「地方集會」之中，境內的唭哩岸與北投二社，屬「淡水集會區」管轄；鄭氏時期則設置天興縣，並以「上淡水通事」管理臺北地區。

清康熙22年（1863年），清帝國正式將臺灣設省，北投區最初隸屬臺灣府下轄之諸羅縣，雍正9年（1731年）起至1875年間，歸淡水廳下轄八里坌巡檢司管轄。清光緒元年（1875年）裁撤淡水廳，增設臺北府。

西元1895年，清帝國與日本簽訂馬關條約，割讓臺灣、澎湖給日本。大正9年 (1920年），北投改為臺北州七星郡北投庄。民國35年成立北投鎮公所，屬臺北縣七星區管轄，隔年改隸淡水區。民國38年劃歸草山管理局 （1950年改名為陽明山管理局），行政區仍屬於臺北縣（今新北市）。民國56年（1967）7月1日臺北市升格直轄市，將北投鎮併入臺北市管轄，改為北投區。