Huyện được thành lập vào ngày 29 tháng 12 năm 2013 theo Nghị định số 136/NĐ-CP của Chính phủ[1], trên cơ sở 7 xã còn lại của huyện Bến Cát cũ là: Cây Trường II, Hưng Hòa, Lai Hưng, Lai Uyên, Long Nguyên, Tân Hưng, Trừ Văn Thố.

Khi mới thành lập, huyện có 33.915,69 ha diện tích tự nhiên, 82.024 nhân khẩu với 7 xã trực thuộc. Huyện lỵ đặt tại xã Lai Uyên.

Ngày 11 tháng 7 năm 2018, Ủy ban thường vụ Quốc hội ban hành Nghị quyết số 535/NQ-UBTVQH14, chuyển xã Lai Uyên thành thị trấn Lai Uyên - thị trấn huyện lỵ huyện Bàu Bàng.[2]