Территория района составляет 122,9 тыс. км². Улытауский район является самым большим по территории районом Казахстана, превосходя по площади 6 областей страны.
Образован 28 июня 1927 года как Карсакпайский район Сыр-Дарьинской губернии. В 1928 году отошёл к Кзыл-Ординскому округу. В 1930 году перешёл в прямое подчинение Казахской АССР. В 1932 году отошёл к Южно-Казахстанской области, откуда в 1936 был передан в Карагандинскую область[4].
В мае 1940 года Карсакпайский район был переименован в Джезказганский район. В январе 1963 года район был упразднён и включён в состав Джездинского района, в марте 1972 года был восстановлен. В марте 1973 года район был передан в Джезказганскую область. В 1974 году район был переименован в Улытауский. В мае 1997 года район был возвращён в Карагандинскую область[5][6].
4 мая 2022 года указом президента Казахстана была образована Улытауская область, в состав которой вошёл и Улытауский район[7].
На территории района имеются месторождения марганца (Жездинское), железа (Карсакпайское), кварцита (Актас), нефти (Кумколь). Сфера энергетики представлена ГТЭС Кумколь, ввод второй очереди которой, несмотря на то, что электростанция территориально находится в Карагандинской области, был включён в карту индустриализации Казахстана по Кызылординской области[8].
В одном из золотоордынских погребений XIII—XIV века в междуречье рек Калмаккырган (Белеуитты) и Буланты (бассейн реки Сарысу) в горах Улытау вместе с членами армии хана Джучи в кургане 5 погребального комплекса Карасуыр[9][10] выявлено присутствие похороненного без оружия европеоида западноевразийского происхождения (образец DA29, ERS2374308, 700 ybp), имеющего Y-хромосомную гаплогруппу R1a1a1b1a2-Z280>R1a1a1b1a2a-Z92 (R-YP575>R-Y83843>R-BY100307[11]) и митохондриальную гаплогруппу I1. У образца DA28 из кургана 1 определена Y-хромосомная гаплогруппа C2b1a3a1a3-Y4541[12].