El territorio donde yace Karamay perteneció históricamente a la zona de pastizales del norte de Xinjiang, donde alguna vez prosperaron muchas tribus nómadas. En el 702 AD, la región quedó bajo la jurisdicción del Protectorado Beiting (北庭都护).
Durante la dinastía Song del Sur (1218), Genghis Khan derrotó al régimen chino y quedó bajo la jurisdicción del kanato mongol. Cuando Genghis Khan dividió entre sus súbditos, la actual zona de Karamay era el feudo Wokuotai (窝阔台封地). Durante la dinastía Qing (1886), se estableció la Oficina Zhili (直隶厅设) que gobernaba la parte sur de la actual ciudad, dos años después (1888), la jurisdicción de Zhili se expandió pero dividida en otra oficina que incluía la parte norte de la ciudad actual.
En el segundo año de la República de China (1913), las oficinas Zhili de se reorganizaron en condados y todavía tenían jurisdicción sobre las partes sur y norte de la ciudad. El 27 de noviembre de 1954, para cumplir con los requisitos del desarrollo de la industria petrolera en la región, el gobierno de Sinkiang aprobó el establecimiento del Comité Administrativo Local de Dushanzi, que estaba directamente bajo la jurisdicción del gobierno provincial. En febrero de 1955, se estableció el Comité de Trabajo Administrativo del Área Minera de Dushanzi. En 1956, de conformidad con la Decisión del Comité Popular sobre el establecimiento del poder político en las zonas industriales y mineras, la ciudad Dushanzi se estableció como ciudad-condado. Al mismo tiempo, el campo petrolífero de Karamay entró en un período de desarrollo y construcción a gran escala. El continuo desarrollo de la industria petrolera y el aumento de la población en el campo petrolero dieron lugar a un nuevo tipo de ciudad industrial petrolera.
El 24 de enero de 1957, la 14.ª reunión del Comité Popular de Sinkiang decidió establecer la ciudad de Karamay y la presentó al Consejo de Estado para su aprobación. El 29 de mayo de 1958, el Consejo de Estado aprobó el establecimiento de la ciudad Karamay a nivel condado. El 17 de junio del mismo año, el Comité Popular de Sinkiang emitió el "aviso" sobre el establecimiento de la ciudad Karamay y la abolición de la ciudad Dushanzi". La ciudad de Karamay se dividió en los distritos Dushanzi y Urho.
El 29 de agosto de 1975, el Consejo de Estado aprobó el establecimiento de la ciudad Kuitun (con parte de Karamay) bajo la jurisdicción de la prefectura autónoma Yilí.
En febrero de 1982, el Gobierno de la Región Autónoma aprobó la ciudad-prefectura Karamay con control bajo cuatro distritos: Karamay, Dushanzi, Baijiantan y Urho.
El 17 de agosto de 1984, la Región Autónoma degradó a Karamay a ciudad-condado bajo la jurisdicción directa de la Región Autónoma, con oficinas en el subdistrito Dushanzi. El 8 de enero de 1990, la Región Autónoma restauró la antigua jurisdicción como ciudad-prefectura con sus distritos.
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