漢元朔二年（公元前127年），漢武帝擊敗匈奴樓煩王、白羊王，收復河南地(轄境今巴彥淖爾盟烏加河以南、鄂爾多斯高原)，將原有九原郡改為五原郡，又增設朔方郡，郡治在三封縣（今巴盟磴口縣哈騰套海蘇木的陶升井，又稱麻彌圖庫廟古城）。朔方郡下設10縣，在今海勃灣地區設置沃野縣。元狩三年（公元前120年）築沃野縣城（今海勃灣區北新地古城）。
漢元狩二年（公元前121年），南匈奴渾邪王附漢後，烏達地區為武威郡之北境地。
東漢末年到三國、晉、十六國時期，活動在北方草原的少數民族匈奴、鮮卑、羯、氐、羌----號稱「五胡」，大多進入長城以南，移居黃河流域。他們互相爭戰或者與中原王朝較量，形成長時間戰亂局面。魏晉時，今烏達地區為西部鮮卑所據，南北朝時為前涼、後涼、北涼所割據。
東晉大（太）興二年（公元319年），羯族石勒強盛起來，盡得黃河流域中、下遊廣闊地區，建立後趙國。今海勃灣地區屬後趙之朔州朔方郡。
前秦建元二年（公元366年），後被前秦、前燕所取代，河水以西歸前秦，為氐族苻堅所統治。海勃灣地區屬前秦朔方郡。後秦皇初二年（公元395年），羌族姚興部興起，奪得前秦西部地區，稱為後秦。姚興在北部廣闊地區設朔方郡，轄今海勃灣地區。
東晉太元十六年（公元391年），魏王拓跋魏攻打朔方郡（轄今巴盟南部和伊盟北部）的鐵弗部劉衛辰。衛辰被打敗後部眾四散，轄地盡失，變成魏的統治地域。
東晉義熙三年（公元407年），匈奴族鐵弗部首領赫連勃勃強盛，在今伊克昭盟、陝西北部地區建立夏國，建都於統萬城（今陝西靖邊縣北，俗稱白城子），轄地曾北達黃河，置幽州於大城（今伊盟杭錦旗東南），佔有今巴盟南部、鄂爾多斯高原。夏勝光四年（公元431年），夏國被北魏拓跋鮮卑族所滅，轄境歸北魏。
隋時，海勃灣地區屬突厥汗庭之西境，為東突厥遊牧地。唐貞觀元年（公元627年），分天下為十道，綏、銀、豐、勝等州屬關內道。關內道的靈州是隋朝靈武郡管轄地區，是黃河由南向北的東岸狹長地帶，包括今鄂託克旗西部、鄂託克前旗西部及海勃灣地區。
烏達地區，隋屬甘州，治所在永平（隋改名張掖，今甘肅張掖）。隋仁壽二年（公元602年），屬肅州，治所在福祿（今甘肅酒泉）。公元八世紀安史之亂後期至九世紀中葉曾屬吐蕃。
宋、遼時期要，西北地區興起的党項族趁宋、遼連年交戰之際，據有銀、夏、綏、宥、靜五州之地。宋太祖趙匡胤建隆元年（公元960年）給党項羌李彝興以太尉稱號，李彝興向宋貢馬三百匹，以示歸順。從此，今伊盟地區的絕大部分（轄今海勃灣地區）遂入宋朝版圖，但仍為党項李所有，宋寶元元年（1038年），党項族李元昊稱帝建立西夏國。今海勃灣地區為西夏靈州之地，烏達地區為西夏賀蘭山防區。
十三世紀初，遊牧在北方草原的蒙古部落日趨強盛，鐵木真登上汗位，尊稱成吉思汗，於1227年滅西夏，版圖統歸元朝。元朝在全國設置一個中書省，十個行省，省下設路、府、州、縣。當時，烏海地區為寧夏行省中興路管轄。元至元二十五年（1288年）改中興路為寧夏路，治所在今銀川市。
明時，烏達地區為甘州、肅州二衛的邊外地。明洪武九年（1376年），立寧夏衛，後升為鎮，轄今海勃灣地區，隸屬於陝西都司，歸中央右軍都督府管理。明建文四年（1402年），蒙古韃靼、瓦剌各部強盛起來，構成對明朝北方邊境的嚴重威脅。明天順六年（1462年）蒙古韃靼酋長阿勒淖爾與毛裡孩進駐伊克昭盟地區。明嘉靖中（1552-1566年）達延汗之孫袞弼裡克墨爾根承襲濟農爵位，名其部落為鄂爾多斯，清天聰九年（1635年），該部首領額瞵臣歸附清朝，統領鄂爾多斯地區。
清順治六年（1649年），清廷將鄂爾多斯地區劃為6旗，實行盟旗制，海勃灣地區為鄂爾多斯右翼中旗（鄂託克旗）之西北境。清康熙二十六年（1697年），始設阿拉善和碩特旗。今烏達地區屬阿拉善旗管轄。
民國時，寧夏擴軍使兼轄阿拉善和碩特旗，後直屬中央行政院蒙臧委員會。民國3年（1914年），鄂託克旗歸綏遠省管轄。民國18年（1929年）1月，寧夏回族自治區政府成立後，在磴口正式設縣。隨後又擅自將沿黃河南到石嘴山、北至河套，長約200公裡的狹長地帶劃入磴口縣（包括烏海地區）。民國19年（1930年），綏遠省政府在黃河以東鄂託克旗地區設立野沃設置局，後改為沃野縣，轄今海勃灣地區。民國26年（1937年）寧夏回族自治區主席馬鴻逵佔領沃野縣，劃歸寧夏，改名陶樂縣。
民國38年（1949年）8月23日，鄂託克旗和平解放。9月7日，鄂託克旗人民政府成立。當時，海勃灣地區屬鄂託克旗第三區（阿爾巴斯）。是年，9月23日，阿拉善和碩特旗和平解放。當時，烏達地區為該旗宗別立巴嘎的一部分。
1950年3月31日，成立阿拉善和碩特旗自治區人民政府，隸屬寧夏回族自治區。1954年4月25日，成立寧夏省蒙古自治區，轄阿拉善旗、磴口縣。是年9月，寧夏省制撤銷，自治區改歸甘肅省管轄，後又改為甘肅巴音浩特蒙古自治州。1956年4月13日，將巴音浩特蒙古自治州劃歸內蒙古自治區，改為巴彥淖爾盟，烏達地區仍歸巴盟阿拉善旗所轄。
1955年2月，海勃灣地區建立伊克昭盟桌子山礦區辦事處，隸屬伊盟。1958年11月，經內蒙古自治區人民委員會批准，建立阿拉善旗烏達鎮。1959年4月，經內蒙古自治區人民委員會批准，撤銷桌子山礦區辦事處，建立礦區人民委員會，隸屬伊克昭盟。1961年7月9日，國務院第111次全體會議通過，批准建立烏達市和海勃灣市。10月1日，正式成立烏達市和海勃灣市，分別隸屬巴彥淖爾盟和伊克昭盟。
1975年8月30日，國務院批准建立烏海市。豎年1月10日，烏達市和海勃灣市正式合併成立烏海市，為內蒙古自治區直轄市。市人民政府設在海勃灣。下轄烏達、海勃灣、拉僧廟3個縣級辦事處。1979年12月，將3個辦事處改設為區，同時，將拉僧廟辦事處更名為海南區。