Trong chiến tranh Việt Nam, địa giới tỉnh nhiều lần thay đổi, chia tách và sáp nhập với các tỉnh khác.

Phân chia theo VNDCCH và MTDTGPMN

Chính quyền Việt Nam Dân chủ Cộng hòa và Mặt trận Dân tộc giải phóng miền Nam Việt Nam đã nhiều lần tách nhập tỉnh Biên Hòa với các tỉnh Thủ Dầu Một, Bà Rịa - Long Khánh, với các tên gọi: Biên Hoà, Long Khánh, Thủ Biên, Bà Biên, Bà Rịa - Long Khánh, U1 (một đơn vị chiến trường ngang cấp tỉnh được thành lập tháng 9 năm 1965 gồm thị xã Biên Hòa và huyện Vĩnh Cửu, đến tháng 10 năm 1967 có thêm huyện Trảng Bom), phân khu 4, phân khu Thủ Biên, tỉnh Tân Phú.

Sau ngày Cách mạng tháng Tám 1945 thành công đến tháng 5 năm 1951, tỉnh Biên Hòa bao gồm cả phần đất ngày nay thuộc tỉnh Bình Phước, một phần đất của tỉnh Bình Dương. Từ tháng 5 năm 1951 đến cuối năm 1954 chính quyền Việt Nam Dân chủ Cộng hòa sáp nhập tỉnh Biên Hòa với tỉnh Thủ Dầu Một thành tỉnh Thủ Biên. Địa giới tỉnh Thủ Biên bao gồm phần đất các tỉnh Đồng Nai, Bình Dương, Bình Phước, quận Thủ Đức, quận 2, quận 9 (thành phố Hồ Chí Minh ngày nay), trừ huyện Long Thành lúc này được giao về tỉnh Bà Rịa - Chợ Lớn. Cuối năm 1954, tỉnh Thủ Biên được tách ra lập lại hai tỉnh: Biên Hòa và Thủ Dầu Một. Tỉnh Biên Hòa khi đó bao gồm thị xã Biên Hòa và 5 huyện: Vĩnh Cửu, Long Thành, Tân Uyên, Xuân Lộc và Bà Rá. Từ tháng 9 năm 1960 đến tháng 7 năm 1961 chính quyền Mặt trận Dân tộc giải phóng miền Nam Việt Nam và Việt Nam Dân chủ Cộng hòa lại tái lập tỉnh Thủ Biên. Tháng 7 năm 1961, tỉnh Thủ Biên được tách thành 3 tỉnh: Thủ Dầu Một, Biên Hòa và Phước Thành. Tỉnh Biên Hòa được thành lập lại gồm các huyện Vĩnh Cửu, Long Thành, Nhơn Trạch và thị xã Biên Hòa.

Từ tháng 3 năm 1963 đến tháng 12 năm 1963 và từ tháng 11 năm 1966 đến tháng 10 năm 1967, chính quyền Mặt trận Dân tộc giải phóng miền Nam Việt Nam và Việt Nam Dân chủ Cộng hòa sáp nhập với tỉnh Bà Rịa thành tỉnh Bà Biên. Tháng 4 năm 1964, thị xã Biên Hòa được tách ra thành lập một đơn vị hành chính riêng, trực thuộc Khu ủy miền Đông. Tỉnh Biên Hòa còn lại các huyện: Long Thành, Nhơn Trạch, huyện Cao Su, Ban cán sự di cư. Đầu năm 1965, thị xã Biên Hòa được nâng lên thành một đơn vị tương đương cấp tỉnh, có phiên hiệu là U1, gồm thị xã Biên Hòa và huyện Vĩnh Cửu. Như vậy trên địa bàn Đồng Nai, thời kỳ này có 3 đơn vị hành chính cấp tỉnh: Biên Hòa (nông thôn), Long Khánh và U1 (Biên Hòa thị). Bên cạnh U1, tỉnh Biên Hòa có các huyện Long Thành, Nhơn Trạch, Ban cán sự Cao Su; tỉnh Long Khánh có thị xã Long Khánh và các huyện Xuân Lộc, Định Quán và huyện Cao Su.

Tháng 12 năm 1967, thực hiện chủ trương chuyển hướng chiến lược của Đảng Cộng sản Việt Nam, các huyện Long Thành, Nhơn Trạch và huyện cao su Bình Sơn được sáp nhập với quận 1, quận 9, Nam huyện Thủ Đức, quận Cần Giờ (Sài Gòn), để lập Phân khu 4. Còn lại U1, gồm thị xã Biên Hòa, huyện Vĩnh Cửu, huyện Trảng Bom. Năm 1971, chiến trường được bố trí lại thành hai phân khu: phân khu Bà Rịa và phân khu Thủ Biên. Tháng 10 năm 1972, thực hiện chỉ thị của Trung ương Cục miền Nam, các phân khu bị giải thể, tỉnh Bà Rịa - Long Khánh và tỉnh Biên Hòa được lập lại. Tỉnh Biên Hòa thời kỳ này có các huyện Vĩnh Cửu, Trảng Bom (từ tháng 10 năm 1973 trở thành huyện Thống Nhất), Long Thành, Nhơn Trạch, Duyên Hải, Tân Uyên, Dĩ An (từ năm 1973, Tân Uyên, Dĩ An trở về tỉnh Thủ Dầu Một), huyện cao su Bình Sơn và thị xã Biên Hòa. Tháng 6 năm 1973, tỉnh Biên Hòa được tách thành hai đơn vị ngang cấp tỉnh: Biên Hòa nông thôn có các huyện: Vĩnh Cửu, Trảng Bom, Long Thành, Nhơn Trạch, Duyên Hải, Cao Su. Biên Hòa đô thị được gọi là Thành phố Biên Hòa. Tháng 10 năm 1973, thành lập tỉnh Tân Phú, gồm các huyện Tân Uyên, Phú Giáo, Độc Lập và Định Quán. Tỉnh này tồn tại cho đến khi lập tỉnh Đồng Nai.

Phân chia theo VNCH

Về phía chính quyền Việt Nam Cộng hòa, Sắc lệnh 143-NV ngày 22 tháng 10 năm 1956 của Tổng thống chia tỉnh Biên Hòa thành 3 tỉnh: Biên Hòa, Long Khánh, Phước Long (có thêm phần đất của tỉnh Thủ Dầu Một). Theo Nghị định số 140-BNV/HC/ND của Bộ trưởng Bộ Nội vụ ngày 2/5/1957, tỉnh Biên Hòa mới gồm 4 quận, 11 tổng, 84 xã:

• Quận Châu Thành Biên Hòa, quận lị: Bình Trước, có 3 tổng: Phước Vĩnh Thượng, Phước Vĩnh Trung, Long Vĩnh Thượng. Ngày 7/2/1963 đổi tên thành quận Đức Tu, quận lị dời về Tam Hiệp.
• Quận Long Thành, quận lị: Phước Lộc Xã, có 2 tổng: Thành Tuy Thượng, Thành Tuy Hạ.
• Quận Dĩ An, quận lị: An Bình Xã, có 3 tổng: An Thủy, Chánh Mỹ Thượng, Long Vĩnh Hạ.
• Quận Tân Uyên, quận lị: Uyên Hưng, có 3 tổng: Chánh Mỹ Trung, Chánh Mỹ Hạ, Phước Vĩnh Hạ.

Ngày 23/1/1959, tách một phần đất quận Tân Uyên, cùng phần đất của các tỉnh khác lập tỉnh Phước Thành. Khi đó tỉnh Biên Hòa phía bắc giáp tỉnh Phước Thành, phía đông giáp tỉnh Long Khánh, phía đông nam giáp tỉnh Phước Tuy, phía tây và tây nam giáp hai tỉnh Gia Định và Bình Dương.

Ngày 9/9/1960, tách một phần đất quận Long Thành, lập quận Nhơn Trạch, quận lỵ đặt tại Phú Thạnh. Quận Nhơn Trạch có 2 tổng: Thành Tuy Trung (7 xã) và Thành Tuy Hạ (6 xã). Đồng thời nhập 2 quận Quảng Xuyên, Cần Giờ (tỉnh Phước Tuy) vào tỉnh Biên Hòa

Ngày 22/3/1963, lập quận mới Công Thanh, gồm 2 tổng: Thanh Quan (6 xã), Thanh Phong (6 xã), quận lỵ đặt tại Tân Phú.

Năm 1972, tỉnh Biên Hòa có 6 quận là Đức Tu, Công Thanh, Tân Uyên, Dĩ An, Long Thành, Nhơn Trạch.

• Quận Đức Tu gồm 15 xã: Bình Trước, Tam Hiệp, Tân Thành, Hiệp Hòa, Bùi Tiếng, Hố Nai, Trảng Bom, Bửu Hòa, Tân Vạn, Long Bình Tân, Phước Tân, Long Hưng, An Hòa Hưng, Tân Phong, Bửu Long;
• Quận Công Thanh gồm 13 xã: Bình Ý, Bình Hòa, Tân Triều, Bình Phước, Bình Long, Lợi Hòa, Tân Phú, Bình Thạnh, Thiện Tân, Tân Định, Đại An, Trị An, Thái Hưng;
• Quận Tân Uyên gồm 14 xã: An Thành, Bình Hòa, Bình Chánh, Mỹ Hòa, Mỹ Quới, Tân Ba, Phước Thành, Thạnh Hội, Uyên Hưng, Tân Tịch, Thường Lang, Tân Hòa, Tân Hiệp, Tân Hòa Khánh;
• Quận Dĩ An gồm 8 xã: Bình Trị, Tân Hiệp, Tân Hạnh, Hóa An, Bình An, Đông Hòa, Tân Đông Hiệp, An Bình;
• Quận Long Thành gồm 8 xã: Tam Phước, Tam An, An Lợi, Phước Lộc, Thái Thiện, Long Phước, Long An, Lộc An;
• Quận Nhơn Trạch gồm 12 xã: Phước Hội, Phước Thọ, Phước Long, Phước Lai, Phước Mĩ, Phước Thiền, Phú Thạnh, Đại Phước, Phú Hữu, Phước Khánh, Vinh Thạnh, Long Tân.