Izveidošanās un attīstība Bolderāja kopš 16. gs. beigām pildīja Rīgas ostas priekšposteņa funkcijas, kurā loči sagaidīja un pavadīja ienākošos kuģus. 17. gs. sākumā darbību uzsāka muitnīca. Preču kuģi nereti daļu kravas izkrāva Bolderājā un uz Rīgu tā tika nogādāta ar liellaivām. 1621. gada 9. maijā Rīgas rātes ieceltā ostas pārvaldnieka Kristofera Burkena (Christoffer Burken) padoto pienākumos ietilpa kontrolēt laivu un kuģu satiksmi Daugavā, uzraudzīt, lai tiktu ievērota muitas kārtība un Bolderājas loču darbība. Pirms iebraukšanas Rīgas ostā visiem kuģiem vajadzēja iziet muitas kontroli Bolderājā un nomaksāt licences nodokli.
Atrašanās stratēģiski svarīgā ģeogrāfiskā novietojumā pie Daugavas ietekas Rīgas jūras līcī radīja labus priekšnoteikumus, kuru rezultātā 18. gs. uz Bolderājas muižas (vācu Bolderaa, Bergshof) zemes izveidojās Bolderājas miests. Tas atradās starp Buļļupi un Spilves pļavām – vietā, kur Buļļupe savienojas ar Daugavu.
19. gs. sākumā tika uzbūvēts tilts pāri Buļļupei, lai savienotu Bolderāju ar Daugavgrīvu un Daugavgrīvas cietoksni.
No 19. gs. otrās puses līdz ar ziemas ostas (1851), telegrāfa sakaru (1852) un dzelzceļa (1873) izbūvi Bolderājā sāka dinamiski attīstīties rūpniecība un tirdzniecība. Bolderājā un tās tuvākajā apkārtnē uzsāka darbību Kārļa Šmita Rīgas cementa rūpnīcas filiāle (1866), Filipa Šapiro kokapstrādes uzņēmums (1876), Alfrēda Hertviga un Eduarda Peitāna džutas un linu vērpšanas un aušanas fabrika (1884) un citi tolaik tehnoloģiski attīstīti uzņēmumi. 1875. gadā Bolderājā tika atvērta privāta Alfrēda Hertviga fabrikas skola.
19. gs. beigās un 20. gs. sākumā Bolderāju ar Rīgu savienoja regulāra dzelzceļa un tvaikonīšu satiksme. Bolderājā tolaik bija četri pārtikas veikali un divi skārņi. 1910. gadā Bolderājā bija 1832 strādnieku un tā ieņēma piekto vietu starp Latvijas teritorijā esošajiem rūpnieciskajiem centriem. Neilgi pirms Pirmā pasaules kara Bolderājas iedzīvotāju kopējais skaits bija apmēram 10 500. Bolderājā galvenokārt dzīvoja ostas un dažādu fabriku strādnieki, loči, krāvēji, jūrnieki, zvejnieki un dzelzceļa infrastruktūras darbinieki.
Pirmā pasaules kara laikā daudzu uzņēmumu iekārtas tika evakuētas uz Krievijas Impērijas iekšzemes guberņām un vairākas kādreizējo uzņēmumu ēkas tika izpostītas.
Latvijas armija pirmoreiz Bolderājā ienāca 1919. gada vasarā, bet jau 1919. gada rudenī Bolderājā un tās apkārtnē norisinājās vairākas Latvijas armijas militāras operācijas, kurām bija izšķiroša nozīme Rīgas aizstāvēšanā pret Rietumu brīvprātīgo armiju. 1919. gada 15. oktobrī Latvijas armija veica desanta operāciju Daugavgrīvā, kuras rezultātā pēc dažām stundām no Rietumu brīvprātīgo armijas tika atbrīvota arī Bolderāja. Savukārt, Bolderājas pagasts pilnībā tika atbrīvots ap 1919. gada 6. novembri.
1921. gadā uz Bolderāju pārcēlās nesen saformētais Latvijas armijas Sapieru bataljons (no 1927. gada pulks). 20. gs. 30. gados Mežrozīšu ielā 20 atradās Sapieru pulka štābs, Gaigalas ielā 13 – Sapieru pulka instruktoru rota, Stūrmaņu ielā 31 – mūsdienās Bolderājas Mūzikas un mākslas skolas ēkā – sardzes vienība. Starp Mežrozīšu ielu un Stūrmaņu ielu bija iekārtots Sapieru pulka parādes laukums.
1924. gada 24. februārī Saeimā tika pieņemts “Likums par Rīgas pilsētas administratīvajām robežām”, kā rezultātā Rīgas pilsētas administratīvajā teritorijā tika iekļauta arī Bolderāja līdz ar citām Pārdaugavas teritorijām, piemēram, Anniņmuižu, Daugavgrīvu, Kleistiem, Šampēteri un citām.
Starpkaru periodā daudzi uzņēmumi tika atjaunoti un turpināja savu darbību, piemēram, F. Šapiro Bolderājas ēvelēšanas un kokrūpniecības akciju sabiedrība, K. Šmita cementa fabrika un citi. Tika dibināti jauni un pārveidoti kādreizējie uzņēmumi, piemēram, grafīta irbuļu tāfeļu, zīmuļu un koksnes mehāniskās apstrādes sabiedrība “F.V. Nather un Ko” tika pārveidota par a/s “Lignums”.
1940.–1941. gada padomju okupācijas periodā Bolderājā norisinājās tie paši procesi, kas citviet padomju okupētajā Latvijas Republikas teritorijā. 1940. gada septembrī tika nacionalizēta Bolderājas kuģu būvētava (a/s “Vairogs”), kas tika nodota PSRS Jūras kara flotes Tautas komisariāta pārziņā. Daudzus Bolderājas iedzīvotājus skāra arī 1941. gada 14. jūnija deportācija.
Neilgi pirms nacistiskās Vācijas okupācijas Bolderājā un tās apkārtnē darbojās apmēram 20 vīru liela pašaizsardzības grupa, kuras dalībnieki iesaistījās vismaz divās lokālās kaujās ar Padomju Sociālistisko Republiku Savienības (PSRS) karaspēku, kas atkāpās uz austrumiem. 1942.–1944. gadā Bolderājā tika saformēti vairāki latviešu policijas bataljoni (22. Daugavas, 272. Daugavgrīvas, 280. Bolderājas un citi), kā arī citas Vācijas Trešā reiha bruņoto struktūru pakļautībā esošas latviešu karavīru vienības. 1943.–1944. gadā Miglas ielā Nr. 9 atradās Latviešu leģiona vada komandieru apmācību skola.
1944. gada oktobra otrajā pusē Bolderāju atkārtoti okupēja PSRS karaspēks. Otrreizējās padomju okupācijas periodā – līdz pat PSRS sabrukumam – Bolderāja turpināja attīstīties kā rūpniecisks centrs, darbojās daudzi rūpnieciski uzņēmumi, kas galvenokārt turpina darboties arī mūsdienās.
1952. gadā tika uzcelta Bolderājas silikātķieģeļu rūpnīca un tās strādniekiem paredzētais ciemats, kas pārsvarā sastāvēja no divu stāvu ēkām. Ķieģeļu galvenā izejviela bija smiltis, kuru ieguvē ir saskatāmas ekocīda pazīmes, jo smilšu ieguves rezultātā Bolderājas–Priedaines kāpu grēdā tika norakta teritorija ~ 20 ha platībā, izjaucot ekoloģisko līdzsvaru, – pārvēršot smilšainās kāpas par purvainu apvidu. Daļai Bolderājas iedzīvotāju bija jāatstāj savas mājas, jo tās tika atsavinātas PSRS kara flotes bāzes un ar to saistītu objektu celtniecībai. 1958. gadā tika pilnībā pārtraukta pasažieru vilcienu satiksme uz Bolderāju, to aizvietoja ar samērā neregulāru autobusu satiksmi. Paplašinoties rūpniecības uzņēmumiem un militārajiem objektiem, pieauga arī pieprasījums pēc daudzstāvu dzīvokļu māju būvniecības. 1965. gadā tapa Bolderājas detālplānojums un tika aizsākta daudzstāvu tipveida paneļu ēku būvniecība, plānojot Bolderājā izmitināt apmēram 15 000 iedzīvotāju. Turpmākajos gados tika izbūvēts arī sabiedriskais centrs, atpūtas un sporta zonas, transporta un inženierkomunikāciju tīkls.
PSRS okupācijas periodā Bolderājai vairākkārt tika mainīts statuss un administratīvā pakļautība. 1952. gada 29. augustā tai tika piešķirts strādnieku ciemata statuss, pakļaujot Bolderāju Rīgas pilsētas Ļeņina rajonam, bet 1959. gada 22. aprīlī ciemata statuss tika atcelts. 1969. gada 16. aprīlī no Ļeņina rajona tika atdalīta ziemeļu daļa un izveidots Ļeņingradas rajons, kurā iekļāvās arī Bolderāja.
1990. gadā īsi pēc Latvijas neatkarības atjaunošanas Ļeņingradas rajons, kurā atradās arī Bolderājas apkaime, tika pārsaukts par Kurzemes rajonu.
2003. gadā tika pabeigts pirmais no jauna celtais tilts atjaunotajā Latvijas Republikā, kas savieno Bolderāju ar Daugavgrīvu pār Buļļupi.
2017. gadā Stūrmaņu ielā 33A tika uzcelts Valsts policijas Rīgas reģiona pārvaldes Rīgas Kurzemes iecirkņa Bolderājas administratīvais iecirknis.
2022. gada jūlija beigās ekspluatācijā tika nodots Bolderājas jaunais aizsargdambis, kas atrodas Buļļupes labajā krastā Lielās ielas posmā no Grants ielas līdz Kapteiņu ielai un ir 1,9 km garš un 2,5 m augsts.
2022. gada 29. jūlijā Bolderājā – Finiera ielas un Gaigalas ielas krustojumā – pie Daugavgrīvas šosejas tika uzstādīta apkaimes vietzīme – 9 m garš un 2 m augsts uzraksts “Bolderāja”.
2024. gadā VAS “Latvijas dzelzceļš” plāno pabeigt pieturu “Iļģuciems” un “Bolderāja” izbūvi. Saistībā ar šo līniju, līdz 2026. gadam ir plānots realizēt arī projektu, kas paredz šīs līnijas elektrifikāciju.