Thời nhà Trần, huyện Bình Xuyên có tên là Bình Nguyên.

Năm 1469, Bình Nguyên đổi thành huyện Bình Tuyền.

Năm 1841, Bình Tuyền được đổi lại thành huyện Bình Xuyên.

Thời nhà Nguyễn, Bình Xuyên thuộc phủ Phú Bình, tỉnh Thái Nguyên.

Năm 1890, Bình Xuyên thuộc tỉnh Vĩnh Yên mới thành lập, huyện lỵ là Đạo Tú.

Ngày 6 tháng 10 năm 1901, huyện Yên Lãng của tỉnh Vĩnh Yên được tách ra để nhập vào tỉnh Phù Lỗ. Tuy nhiên phần đất phía đông bắc của huyện Yên Lãng, bao gồm hai tổng Hương Canh và Yên Lãng nhập vào huyện Bình Xuyên. Hương Canh trở thành huyện lỵ huyện Bình Xuyên.

Sau năm 1975, huyện Bình Xuyên có thị trấn nông trường Tam Đảo và 14 xã: Bá Hiến, Đạo Đức, Gia Khánh, Hương Sơn, Minh Quang, Phú Xuân, Quất Lưu, Sơn Lôi, Tam Canh, Tam Hợp, Tân Phong, Thanh Lãng, Thiện Kế, Trung Mỹ.

Ngày 5 tháng 7 năm 1977, huyện Bình Xuyên hợp nhất với huyện Yên Lãng thành huyện Mê Linh.

Năm 1978, thị trấn Phúc Yên và 18 xã thuộc huyện Mê Linh nhập về thành phố Hà Nội, 14 xã và 1 thị trấn của huyện Bình Xuyên được sáp nhập vào huyện Tam Đảo.

Ngày 4 tháng 8 năm 1992, giải thể thị trấn nông trường Tam Đảo, địa bàn nhập vào các xã Trung Mỹ, Minh Quang.

Ngày 23 tháng 11 năm 1995, chuyển xã Tam Canh thành thị trấn Hương Canh.

Ngày 9 tháng 6 năm 1998, huyện Bình Xuyên được tái lập, bao gồm thị trấn Hương Canh (huyện lỵ) và 13 xã: Bá Hiến, Đạo Đức, Gia Khánh, Hương Sơn, Minh Quang, Phú Xuân, Quất Lưu, Sơn Lôi, Tam Hợp, Tân Phong, Thanh Lãng, Thiện Kế, Trung Mỹ.

Ngày 18 tháng 8 năm 1999, thành lập xã Thanh Trù trên cơ sở một phần diện tích và dân số của xã Quất Lưu (ghép từ hai thôn Vị Thanh và Vị Trù) và chuyển xã này về thị xã Vĩnh Yên (nay là thành phố Vĩnh Yên) quản lý.

Từ ngày 9 tháng 12 năm 2003, xã Minh Quang chuyển sang trực thuộc huyện Tam Đảo. Huyện Bình Xuyên còn lại 1 thị trấn và 12 xã.

Ngày 2 tháng 4 năm 2007, chuyển 2 xã Gia Khánh và Thanh Lãng thành 2 thị trấn có tên tương ứng.

Ngày 1 tháng 2 năm 2020, chuyển 2 xã Bá Hiến, Đạo Đức thành 2 thị trấn có tên tương ứng.[1]

Huyện Bình Xuyên có 5 thị trấn và 8 xã như hiện nay.