1500-1600-luvuilla, jolloin Kylmäluomalla ei ollut vielä vakituista asutusta, liikkuivat alueella saamelaiset ja rannikon eränkävijät. Ensimmäiset vakituiset asukkaat olivat savolaisia, jotka saapuivat Iijokea pitkin Taivalkoskelle 1600-luvun puolessa välissä. Savolaista perua on myös nimi Kylmäluoma, sillä heillä sana luoma kuvasi kala-apajana pidettyjä vesistöjä. Retkeilyalueella on useita luoma-loppuisia järviä, kuten Iso ja Pieni Pajuluomajärvet, Särkiluoma ja Kylmäluomajärvi.
Sana luoma on savolaista alkuperää ja tarkoittaa hyvää kala-apajapaikkaa. 1600-luvun puolessa välissä savolaiset tulivat Iijokea pitkin nykyiselle Kylmäluoman seudulle ja alkoivat asuttaa sitä. He toivat paikannimistöön monia luoma-loppuisia järvien ja lampien nimiä kuvaamaan hyvinä kala-apajina pitämiään vesistöjä.
Kylmäluomajärven lisäksi alueella on mm. Iso-Pajuluoma ja Pikku-Pajuluoma, Särkiluoma sekä pohjoisempana Kuusamon puolella Kontioluoma ja Oijusluoma.
Kylmäluoman alueella oli suuria metsätyömaita vuosina 1934 - 1935. Savotoiden jäljiltä löytyy vanhojen savottakämppien raunioita ja puiden kuljetukseen rakennettujen talviteiden jäänteitä.
Kylmäluoman tulvaisilta suoniityiltä kerättiin 1960-luvulle saakka suoheinää karjan rehuksi. Niittykulttuurin jäänteinä löytyy edelleen heinäsuovan pohjia.
Kylmäluoman merkitys virkistyskäytölle huomattiin, ja vuonna 1969 Metsähallitus perusti alueen itäpäähän leirintäalueen. Valtion ensimmäiseksi retkeilyalueeksi Kylmäluoma vahvistettiin vuonna 1979 samalla perustamispäätöksellä Hossan retkeilyalueen kanssa, nykyisin Hossan kansallispuisto.
Kylmäluoman alue on edelleenkin tärkeää porojen laidunaluetta. Alueella on kaksi poroerotusaitaa, jotka sijaitsevat Saarijärven ja Kylmäluomajärven länsipäissä.
Retkeilyalueelta on löydetty joitakin kivikautiseen asumiseen viittaavia muinaisjäännöksiä. Niitä ei ole vielä tutkittu tarkemmin.
