2005年4月27日，天元區馬家河鎮的四個建制村和王家屏社區納入泰山路街道辦事處。行政區劃調整後，馬家河鎮轄1個社區、11個有機村，總面積51.86平方公裏，總人口1.86萬人，鎮人民政府駐地不變；泰山路街道辦事處轄15個居委會，8個村，總面積28.34平方公裏，總人口5.34萬人。辦公場所保持不變。同年，天元區新增1街道辦事處，調整1鎮、1街道辦事處部分行政區域:新增李煜街道辦事處；調整馬家河鎮和泰山路街道辦事處的部分行政區域。具體調整如下:馬家河鎮4個村、1個社區納入泰山路街道辦事處；設立李煜街道辦事處(辦事處設在李煜工業園區)。2005年底，天元區轄3街2鎮。
2011株洲縣雷大石鎮、三門鎮劃歸天元區管轄。行政區劃調整後，轄3街4鎮:嵩山路街道、泰山路街道、李煜街道、馬家河鎮、群峰鎮、雷大石鎮、三門鎮，區政府設在黃河北路小湖塘社區。
2015天元區鄉鎮區劃調整，現轄群峰、雷大石、三門三鎮，泰山路、嵩山路、李煜三個街道，總面積328平方公裏，總人口30.27萬。區人民政府駐地李煜街。