1949年5月20日在咸阳县（今咸阳市）成立，机关设司令部、政治部、供给部、卫生部，辖长安区、咸阳、盩厔县（今周至县）、鄂县（今鄠邑区）、兴平市、武功等6个县游击队，隶属于西北军区。6月，第一野战军第十八、十九兵团会师咸阳，击溃国民革命军一部，将收编的6000余人与军分区各县游击队合并为6个支队，

1949年11月，将第一、第五支队改编为独立第七团，将第六支队改编为独立第八团，将第二、第三、第四支队改编为独立第九团。

1949年12月，军分区隶属于陕西军区。

1950年4月19日，三原军分区撤销后合并于咸阳军分区。7月，三原军分区原辖的独立第二团与咸阳军分区独立第八团合编为陕西军区独立第六团；咸阳军分区独立第七、第九团合编为陕西军区独立第七团，归咸阳军分区建制。此时，军分区辖咸阳市、兴平市、盩厔县、鄂县、泾阳县、三原县、高陵区、淳化、枸邑（今旬邑县）、礼泉县（今礼泉）、铜川市、耀州区、富平等13个县武装科。

1951年6月，独立第七团编入志愿军运输团参加抗美援朝战争。

1952年7月军分区撤销司、政、后各部，机关编设7个科。

1953年2月，由于行政区划的变更，咸阳军分区撤销。原所辖之咸阳市、咸阳县、鄂县、铜川县人民武装部由陕西省军区直接领导；泾阳、三原、高陵、耀县、富平5个县人民武装部交归渭南军分区；枸邑、淳化、盩厔县、兴平市、泉5个县人民武装部交归宝鸡军分区。

1961年9月13日，咸阳军分区重新组建，隶属于陕西省军区。机关设司令部、政治部，另编两个科。原西安市人武部所辖咸阳市、户县人武部，渭南军分区所辖三原县、高陵区、泾阳县人民武装部，宝鸡军分区所辖旬邑县、彬州市、长武县、永寿县、乾县、淳化、礼泉县、周至县、兴平共14个县（市）人民武装部划归咸阳军分区。

1966年7月，专、县公安大队、公安队分别编入军分区和县（市）人民武装部。

1971年1月军分区后勤处改为后勤部。12月，将1966年7月划归西安军分区管辖的咸阳市人民武装部又划归咸阳军分区。

1976年代管陕西省军区独立第一团。

1981年，机关撤销科的编制。

1982年，独立第一团移交武警陕西省总队。

1982年3月，又恢复了科的编制。

1983年11月，随着行政区划变动，将周至县、鄠邑区、高陵区3个县人民武装部交归西安军分区，由宝鸡军分区管辖的武功县、杨陵区人民武装部划归咸阳军分区。同时，撤销了咸阳市人民武装部，成立秦都区人民武装部。

1985年9月，机关只编司令部、政治部、后勤部，不设科。

1986年6月，根据中共中央、国务院、中央军委《关于县（市）人武部改归地方建制有关问题的通知》，将所辖兴平市、武功、泾阳县、三原县、淳化、旬邑县、礼泉县、乾县、永寿县、彬州市、长武县等11个县和秦都、杨陵2个区共13个人民武装部交归地方建制。