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 10 xã còn lại của huyện Tân Uyên cũ là: Bình Mỹ, Đất Cuốc, Hiếu Liêm, Lạc An, Tân Bình, Tân Định, Tân Lập, Tân Mỹ, Tân Thành, Thường Tân.

Khi mới thành lập, huyện có 40.087,67 ha diện tích tự nhiên, 58.439 nhân khẩu với 10 xã trực thuộc. Huyện lỵ đặt tại xã Tân Thành.

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