台湾清治末期至日治前期,三空泉地区为一街庄,称为“三空泉庄”,隶属于芝兰三堡。该庄北与树林口庄为邻,东与兴福藔庄为邻,南边为小坪顶庄、小八里坌庄,西边为竿蓁林庄。
1901年(日治明治三十四年)11月,该庄隶属于台北厅,编入第二十六区。1906年(明治三十九年)1月,第二十六区、二十七区的部分街庄合并为“水枧头区”,该庄属之。1920年(大正九年),该庄改制为“三空泉”大字,隶属于台北州淡水郡淡水街。
战后淡水街改制为淡水镇,隶属于台北县,大字亦改制为里。2010年12月,台北县升格为新北市,淡水镇亦改制为淡水区。