最早成立于1956年3月,1961年4月成立西北旺公社(与西北旺农场合一),1984年4月改设西北旺乡,1998年11月乡与农场机构分开。2002年,将部分社区居民划转移交给上地、清河街道;全乡总面积36.6平方千米,户籍人口21838人,其中农业人口13428人、非农业人口8410人。外来人口27782人。辖西北旺村、韩家川村、冷泉村、安宁庄村、唐家岭村、土井村、东北旺村、西二旗村、马连洼村等9个村委会、6个居委会和1个家委会。
2005年,中关村软件园地区划归上地街道管辖;百草园地区、百旺新城地区划归马连洼街道管辖。