台灣清治末期至日治前期,三空泉地區為一街庄,稱為「三空泉庄」,隸屬於芝蘭三堡。該庄北與樹林口庄為鄰,東與興福藔庄為鄰,南邊為小坪頂庄、小八里坌庄,西邊為竿蓁林庄。
1901年(日治明治三十四年)11月,該庄隸屬於臺北廳,編入第二十六區。1906年(明治三十九年)1月,第二十六區、二十七區的部分街庄合併為「水梘頭區」,該庄屬之。1920年(大正九年),該庄改制為「三空泉」大字,隸屬於臺北州淡水郡淡水街。
戰後淡水街改制為淡水鎮,隸屬於臺北縣,大字亦改制為里。2010年12月,臺北縣升格為新北市,淡水鎮亦改制為淡水區。