Многочисленность названий города объясняется в первую очередь богатством его истории, культуры, религиозной и этнической картины региона Синьцзян-Уйгурского автономного района КНР.
Во времена империи Хань здесь располагалось несколько мелких княжеств (см. Сиюй). Примерно на территории современного Урумчи располагалось княжество восточное Цэми (東且彌國), князь жил в долине Дуйсюй (兌虛) на восточной стороне гор. Население: 191 семья, 1 948 человека, 572 строевых воинов. Китайская администрация: наместник с титулом Дунцэми-хоу (東且彌侯) и два офицера. На севере округа располагалось княжество Цзе (劫國) со ставкой князя в долине Даньцюй (丹渠) на восточной стороне гор. Население: 99 семейств, 500 человек, 150 воинов. Китайская администрация: наместник, офицер и переводчик.
После проникновения в регион ислама в конце X — начачале XI веков, китайское влияние сильно ослабевает, и затем начинает усиливаться только к началу XVIII века. Так, в 1763 году, когда формальные границы китайских владений достигли территорий современного Казахстана, разросшийся город Лунтай получает своё китайское название Дихуа, то есть «просвещение», а 1 февраля 1854 года город получил и своё нынешнее китайско-уйгурское название Урумчи, что в переводе с древнемонгольского означает «прекрасное пастбище». Статус столицы региона окончательно закрепился за городом в 1884 году.
После присоединения Синьцзяна к КНР был образован Специальный район Дихуа (迪化专区). 20 ноября 1953 года Специальный район Дихуа был официально переименован в Специальный район Урумчи (乌鲁木齐专区), и город с уездом также были переименованы из Дихуа в Урумчи. 8 июля 1954 года уезды Чанцзи, Урумчи и Мицюань были выделены из Специального района Урумчи в отдельный Чанцзи-Хуэйский автономный район. В 1958 году Специальный район Урумчи был расформирован, а остававшиеся в нём уезды перешли под юрисдикцию властей Чанцзи-Хуэйского автономного округа. В 1959 году уезд Урумчи был передан из состава Чанцзи-Хуэйского автономного округа под юрисдикцию властей городского округа Урумчи.
В 1992 году в городе произошёл теракт, погибло 3 человека. В 1997 году в Урумчи были взорваны три городских автобуса, погибли 9 человек.
В 2007 году район Дуншань (东山区) городского округа Урумчи и городской уезда Мицюань (米泉市) Чанцзи-Хуэйского автономного округа были объединены в новую административную единицу — район Мидун городского округа Урумчи.
Летом 2009 года произошли массовые волнения этнических уйгуров.
Население городского округа по данным переписи населения 2010 года составило 3,112,559 человек, увеличившись с предыдущей переписи населения 2000 года на 49,51 % (с 2,081,834 человек). Среднегодовой темп прироста населения составляет 4,10 %. По состоянию на 2013 год, численность постоянного населения городского округа Урумчи составляет 3,5 млн человек.
Население Урумчи начало стремительно расти только с конца 1960-х, когда в регионе была развёрнута массовая правительственная кампания по переселению сюда китайцев (ханьцев) из восточных регионов страны с целью интеграции региона в культурную и языковую среду титульного народа КНР. Учитывая огромный демографический потенциал КНР, эта программа привела к существенному изменению этнической картины города и региона. Если раньше Урумчи был небольшим уйгурским посёлком, то теперь это настоящий китайский мегаполис.
По результатам переписи 2000 года в современном этническом составе городского округа абсолютно преобладают китайцы — 1-3 поколение выходцев с востока страны 75,3 % (1,567 млн человек), крупнейшим меньшинством в городе являются тюркоязычные уйгуры, однако они составляют всего 12,8 % населения городского округа (266 тыс. человек), затем следуют дунгане (8,0 % или 166 тыс.), казахи (2,3 % или 48 тыс. человек), прочие 1,6 % (33 тыс. чел), среди которых есть и монголы; в том числе 2603 русских (0,13 %) и 767 татар (0,04 %). Всё же, этнический состав городского округа нетипичен для СУАР в целом, где уйгуры составляют 45,2 %, китайцы 40,6 %, казахи 6,7 %, дунгане 4,6 %, прочие 2,9 %. В религиозном плане среди жителей городского округа большинство — атеисты (в основном китайцы), на втором месте по распространению стоит ислам, исповедуемый уйгурами, дунганами и казахами (всего около четверти населения городского округа). Существенно изменилась по сравнению с серединой прошлого века и языковая ситуация: в городском округе абсолютно преобладает китайский язык, без знания которого тюркоязычным уйгурам и казахам трудно продвигаться по служебной лестнице. Тем не менее, большинство вывесок в городе двуязычны — на китайском и уйгурском языках, выполненные китайскими иероглифами, арабской вязью и зачастую латиницей (пиньинь), особенно на рекламных вывесках. В Урумчи также выходят несколько газет и журналов на монгольском языке, работают радио- и телепередачи. Среди иностранных языков наибольшее распространение имеют русский и английский