На территории Большеулуйского района найдены 13 археологических объектов — в окрестностях Березовки, Большого Улуя и Соснового Бора. Большей частью они представлены стоянками, поселениями, городищами скифского (VII—I вв. до н. э.) и гунно-сарматского времени (II в. до н. э. — V в. н. э.).
Заселение территории Большейлуского района русскими началось с середины XVIII в. Здесь в 1762—1776 гг. селили посельщиков из западных губерний. С образованием Енисейской губернии земли района вошли в Чернореченскую волость Ачинского округа.
В 1804 г. на территории района было 11 селений: Краснова, Секретарская, Симанова, Нагорная, Сучкова, Ларюшкина, Улуйская, Березовка, Новоеловское, Герасимова, Кумырская. Ни одно из этих селений, кроме Большого Улуя, не имело 50 дворов. В Большом Улуе действовали перевоз и базар.
В 1870 г. территория Большеулуйского района была выделена в Большеулуйскую волость. Ее заселение во второй половине XIX в. шло медленными темпами из-за удаленности от Сибирского тракта и железной дороги. Большая часть старожильческого населения была сосредоточена в бассейне Чулыма. В подтаежной зоне селились в основном ссыльные. В 1864 г. в селениях волости было поселено 16 участников Польского восстания 1863 г. Они занимались земледелием, ремеслами, торговлей, знакомили местных крестьян с новыми орудиями труда. Часть из них обзавелись семьями, женившись на сибирячках, и практически обрусели. На территории района находились и поселения, входившие в состав Мелецкой инородческой управы, населенные мелецкими татарами.
Основными занятиями населения были земледелие, скотоводство, охота и рыболовство. Промышленность имелась в виде кустарных промыслов по сельхозпереработке, смолокурению, мыловарению, свечному и кожевенному производствам. С открытием пароходного движения по Чулыму в 1864 г. крестьяне стали наниматься на разгрузочные работы, занимались перевозкой грузов.
В годы Столыпинской реформы возрастает приток переселенцев, образуются деревни Климовка, Удачное, Карабановка, Ишимка, Бычки и др. С 1907 по 1912 г. население волости выросло в 2,2 раза. В Большом Улуе в это время насчитывалось 647 жителей, 139 дворов, появляются церковь, церковно-приходская школа, библиотека, врачебный пункт, общественный банк, хлебозапасный магазин.
В 1912 г. Большеулуйская волость была разделена на четыре волости: Большеулуйскую, Бирилюсскую, Петровскую и Зачулымскую. Мелецкая инородческая управа была преобразована в Мелецкую волость.
В ноябре 1917 г. в Большом Улуе был создан волисполком, первым председателем которого стал Д. А. Баранов. В июне 1918 г. советская власть в губернии была свергнута в результате белочешского восстания. Осенью 1918 г. в селах крестьяне стихийно образовывают отряды самообороны, которые влились в объединенный партизанский отряд под командованием П. Е. Щетинкина. В январе 1920 г. район был освобожден от колчаковцев.
В апреле 1924 г. был образован Большеулуйский район, но в 1929 г. район вошел в состав Ачинского и только в 1944 г. вновь был выделен в самостоятельную административную единицу.
С началом коллективизации в 1930-е гг. в районе укрепилась материально-техническая база крестьянских хозяйств, начали создаваться машинно-тракторные станции. Самой крупной считалась Большеулуйская МТС, обслуживавшая 14 колхозов. Для подготовки квалифицированных кадров открывались новые школы и училища, открывались библиотеки, клубы и пионерские лагеря. Первыми орденоносцами в Красноярском крае, награжденными за труд, стали большеулуйцы — доярка П. Е. Гусева, удостоенная ордена Ленина, и коневод Г. И. Казаченко, награжденный орденом Трудового Красного Знамени.
В годы Великой Отечественной войны из района было мобилизовано на фронт около 8 тыс. человек, почти половина из них не вернулись. Героями Советского Союза стали В. И. Давыдов, П. С. Волков, И. И. Туфтов, С. И. Чубуков.
После войны в районе начинает развиваться промышленность. Были построены крахмальный и кирпичный заводы. В 1963 г. район упраздняют и объединяют с Ачинским районом, но уже через два года Большеулуйский район вновь обрел статус самостоятельного административного образования. В селах начали массово строить жилье для колхозников, улицы стали покрывать асфальтом, в домах появились телефоны.