台灣清治末期至日治初期,湖肚地區為一街庄,稱為「湖肚庄」,隸屬於竹北二堡。該庄西北及北與三墩庄為鄰,東北與十藔庄為鄰,東南邊及南邊為湳湖庄,西南邊為十六張庄。
1901年(日治明治三十四年)11月,全台廢縣廳改設二十廳,該庄隸屬於新竹廳。1909年(明治四十二年)10月,合併二十廳為十二廳,該庄隸屬不變。1920年(大正九年),廢十二廳改設五州二廳,該庄改制並雅化為「湖肚」大字,隸屬於新竹州中壢郡關西庄。1941年,關西庄升格為關西街。
戰後關西街改制為關西鎮,隸屬於新竹縣,大字亦改制為里。1950年桃、竹、苗分治,關西鎮隸屬不變。