Qarakilsə rayonu 1930-cu il sentyabrın 9-da yaradılmışdır. Sahəsi 1719 km² olan rayonun mərkəzi Qarakilsə şəhəri olmuşdur. Buradan İrəvan şəhərinə olan məsafə 217 km-dir.

Coğrafi vəziyyətinə görə Qarakilsə rayonu dörd tərəfdən Zəngəzur və Bərgüşad silsilələri əhatə olunmuşdur. Bazarçay çayı rayon boyu axıb gedir.

Rayonun ərazisi tarixi İrəvan xanlığının Zəngəzur mahalına, Çar Rusiyası dövründə isə Yelizavetpol (Gəncə) quberniyasının Zəngəzur qəzasına daxil olmuşdur.

Ermənistan SSR Ali Soveti Rəyasət Heyətinin 2 mart 1940-cı tarixli fərmanı ilə rayonun adı dəyişdirilərək “Sisian” qoyulmuşdur.

1987-ci ildən rayonun əzəli azərbaycanlı sakinləri yaşadıqları yerləri tərk etməyə məcbur edilmişlər. 1995-ci ildə isə rayon ləğv edilərək Ermənistanın Sünik vilayətinin inzibati ərazisinə daxil edilmişdir.