В прошлом Удомельская волость входила в Бежецкую пятину. Через неё проходили водные торговые пути. В 1418 году она вошла в Московское государство. Затем была в составе Интерманландской (1708г.), в Новгородской (1727г.) губерний. С 1775 года - в Тверском наместничестве. В 60-х годах XIX века через территорию района прошла Виндаво-Рыбинская железная дорога. Важным торговым центром стала станция Троица, 1904 году переименованная в Удомлю. В 1929 году образован Удомельский район, входивший в Московскую, а с 1935 года - в Калининскую область.

С Удомельским районом связаны имена многих писателей и художников. В окрестностях Удомли жил и творил И.И.Левитан, в д.Сафоново работал А.Г.Венецианов, создавший здесь художественную школу. Одним из лучших его учеников был Г.В.Сорока, родившийся в селе Покровское.

Бурное развитие Удомли началось в 70-е годы, когда строители стали возводить на удомельской земле Калининскую атомную станцию (КАЭС).

Удомля сегодня – это крупный промышленный центр, где производится 1% электрической энергии, вырабатываемой в России. Это современный город, имеющий жилую застройку в 5, 9, 16 этажей. Ведётся строительство малоэтажной застройки.

Со строительством КАЭС прямо и косвенно связано большинство предприятий района (изготовление и поставка продукции для строительства, поставка продуктов питания и товаров широкого потребления и т.д.).