El nombre Karamay viene del idioma uigur y significa "aceite negro", debido a la cantidad de petróleo en esta zona que trajo prosperidad a la región en 1955.

En el 702 AD, la región quedó bajo la jurisdicción del Protectorado Beiting (北庭都护).

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.

La ciudad de Karamay se dividió en los distritos Dushanzi y Urho.