Địa bàn xã An Hòa Thịnh hiện nay trước đây vốn là ba xã Sơn An, Sơn Hòa và Sơn Thịnh thuộc huyện Hương Sơn.

Trước khi sáp nhập, xã Sơn An có diện tích 4,30 km², dân số là 1.996 người, mật độ dân số đạt 464 người/km². Xã Sơn Hòa có diện tích 3,86 km², dân số là 2.057 người, mật độ dân số đạt 533 người/km². Xã Sơn Thịnh có diện tích 5,88 km², dân số là 2.180 người, mật độ dân số đạt 371 người/km².

Ngày 21 tháng 11 năm 2019, Ủy ban Thường vụ Quốc hội ban hành Nghị quyết số 819/NQ-UBTVQH14 về việc sắp xếp các đơn vị hành chính cấp xã thuộc tỉnh Hà Tĩnh (nghị quyết có hiệu lực từ ngày 1 tháng 1 năm 2020)[1]. Theo đó, sáp nhập toàn bộ diện tích và dân số của ba xã Sơn An, Sơn Hòa và Sơn Thịnh thành xã An Hòa Thịnh.