绵阳军分区成立于1950年1月12日，时隶属中国人民解放军川西军区建制。1952年9月1日川西行署区撤销併入恢复设定的四川省后，绵阳专区（1970年改称绵阳地区）由原川北行署区改归四川省管辖，原川西行署区对应的川西军区亦併入四川军区，绵阳军分区改隶属四川军区建制（后几经变革于1969年1月改称四川省军区至今）。1953年3月，广元军分区因广元专区併入绵阳专区而撤销併入绵阳军分区。1955年4月14日，四川军区改为成都军区兼四川省军区，1955年5月至1969年9月期间，成都军区兼行四川军区职能，绵阳军分区改由成都军区直辖。1958年10月，遂宁军分区因遂宁专区併入绵阳专区而撤销併入绵阳军分区。

1969年1月29日，四川省军区重新成立，绵阳军分区改隶属四川省军区。

1985年2月8日撤销绵阳地区设立省辖地级绵阳市、广元市和遂宁市后，广元军分区和遂宁军分区重新成立，绵阳军分区辖区範围由原绵阳地区调整为地级绵阳市。同年，根据中共中央、国务院、中央军事委员会通知，县（市、区）人民武装部由军队建制改归地方建制，绵阳市各县（市、区）人民武装部改由绵阳市各县（市、区）党委和绵阳军分区双重领导。

主要负责绵阳市的民兵、兵役、动员工作和预备役部队建设。

党委第一书记：刘超（中共绵阳市委书记、绵阳市国防动员委员会第一主任兼任）

司令员：时义清

政治委员：汪泽元

副司令员：黄梅园、戴胜龙

参谋长：

党委第一书记：吴靖平、罗强、彭宇行

司令员：高善贵、张学东、杨令泉、孙克勇

政治委员：徐文良、唐炼

参谋长：向乾宗

绵阳军分区与绵阳市国防教育训练基地军地合署办公，由国务委员兼国防部部长梁光烈上将亲自审定规划图，并题写名称，占地8亩，总建筑面积39600平方米，主楼高99米，地上28层，地下2层，基地建设工程预算总投资1.5亿元，于2010年7月28日在绵阳军分区机关院内奠基开工，预计2012年2月建成投入使用。