Павлодарский район образован в 1928 году из волостей бывшего Павлодарского уезда . До 1930 года район входил в состав Павлодарского округа .
В феврале 1932 года Павлодарский район вошёл в состав Восточно-Казахстанской области . Постановлением Президиума КазЦИК от 4 февраля 1938 года Павлодарский район передан в состав вновь образованной Павлодарской области .
В 1954–1955 годах в районе началась массовая распашка целинных и залежных земель, благодаря чему площадь под зерновые культуры увеличилась в 3–4 раза . В 50-е и последующие годы район стал одним из основных зерновых и животноводческих районов области .