門頭溝區原名京西礦區，因1958年設區時圈門至風口鞍這條溝被喚作門頭溝，便以溝名命名。門頭溝區曆史悠久，從1萬年前的“東胡林人”起始，門頭溝區便地處古冀州。周武王十一年設立燕、薊政區，門頭溝區歸薊；燕並薊後，歸屬燕。明洪武元年，元大都改稱為北平府，後又改為順天府，宛平縣屬之。嘉靖三十三年，沿河城地區歸宛平縣，至此，門頭溝全境屬宛平縣。1914年10月，順天府改為京兆地方，宛平縣隨屬。1948年12月14日門頭溝全境解放。到1952年9月前，門頭溝區境分為兩部分：一部分屬河北省宛平縣轄界，一部分屬北京市第16區（曾稱門頭溝區、第28區、第20區）轄界，包括今龍泉、永定、潭柘寺3鎮範圍。宛平和16區合並後，門頭溝全境屬於京西礦區界。1958年5月京西礦區調整區劃後改稱門頭溝區。
談起“門頭溝”的由來，不得不從其位置說起，從現在門頭溝的橫嶺到大峪村有一條東西向長達11 千米的溝穀，北麵是九龍山，南麵是南大梁，唐末修建的玉河古道即沿著這條溝穀向西，通往門頭溝區腹地的齋堂川，遠行山西及內蒙古。現在的門頭口村是這條溝穀中的一個重要節點。從這個節點向西，溝穀狹窄，坡度逐漸加大；從這個節點向東，溝穀逐漸開闊，地勢漸趨平坦。
到了明代，都城北京長期受到蒙古威脅，朝廷在京西山區修建了內長城，作為保護京城的最後一道防線。朝廷還在每條山路的關鍵部位修建了關城，駐軍把守。當時，門頭口村也建有一座扼守古玉河大道咽喉的關城，關城的駐軍承擔守備、緝匪、收稅等事務。
入清之後，長城內外一統，京城西部的關城失去了軍事作用，關城的城台上修建起了廟宇，逐漸演變成過街樓。
由於玉河古道從關城下麵通過，而關城的門洞又是拱券形的，所以人們就把這座建築稱為“券門”，依諧音叫作“圈門”。以過街樓為界，這條溝穀分成了兩部分：
過街樓以西稱為“門頭溝”，意思是“圈門前頭的溝穀”；
過街樓以東，以地處溝穀出口的村莊命名，叫作“大峪溝”。
同樣是在清代圈門一帶眾多的煤窯一般都開在河道兩側，因而這裏成為各煤窯的排水溝，采煤業的發達也促進了這一地區的繁榮發展，定居於此的人也越來越多，“井屋鱗次，煙火萬家”。從東向西，沿著溝穀兩側，形成了門頭口、寬街、爐灰坡（龍鳳坡）、東店、中店、西店、冉家樓、孫橋、梁橋、天橋浮、拉拉湖、孟家胡同、橫嶺、匣石窯、官廳等村莊和居民點，溝穀中房舍連綿不斷，號稱“十三裏長街”。
由於煤窯不斷增多，排水量也日益增大，隨著水溝河床不斷增高斷麵減小，造成排泄不暢，嚴重影響了煤炭開采。
京西的煤炭是京城主要燃料，為增加產量、平抑煤價，朝廷和民間於清朝初年、乾隆二十七年（1762）、嘉慶六年（1801）幾次對這條泄水溝進行了大規模修建。經人工開鑿，門城泄水溝成為京西龍泉鎮境內最大的一條泄水溝。泄水溝西起橫嶺，向東經天橋浮、圈門、東辛房，至城子下八十注入永定河。流域麵積21.95平方公裏，溝長8.1公裏。下遊平均寬30米，平均坡度為4%。
作為圈門(門)村地區的穀地源頭(頭)排放煤礦井下廢水的泄水溝(溝)，該溝得名“門頭溝”,圈門村一帶也以“門頭溝”作為了該地的地名，周邊的穀地也因此而得名“門頭溝穀地”。
到了近代，外國侵略者也開始覬覦門頭溝煤礦，清同治元年，英國大使館翻譯柏卓安最先進入門頭溝，對這裏的煤炭資源進行了調查。此後，美籍采礦工程師龐伯裏、美國地質學家崩派、英國商人海德遜、德國地質學家李希霍芬、德國人梭爾等，紛紛進入京西進行地質考察，並寫出了一些考察報告。
其中一部地質考察著作，將九龍山南麓、溝穀中過街樓以西的產煤產區，稱為“門頭溝煤田”，“門頭溝”一詞首次出現在近代著作之中。在此後的文獻中，“門頭溝”就正式成為京西煤炭產區的名稱。