Ngày 29 tháng 6 năm 1977, thị trấn Bỉm Sơn trực thuộc tỉnh được thành lập nhằm hỗ trợ cho Nhà máy Xi măng Bỉm Sơn - nhà máy sản xuất xi măng lớn nhất Việt Nam lúc bấy giờ.[2]

Ngày 18 tháng 12 năm 1981, thị xã Bỉm Sơn được thành lập trên cơ sở sáp nhập thị trấn Bỉm Sơn với thị trấn Nông trường Hà Trung và 2 xã Quang Trung, Hà Lan thuộc huyện Trung Sơn (nay là 2 huyện Hà Trung và Nga Sơn)[1].

Ngày 29 tháng 9 năm 1983, thành lập 3 phường: Ba Đình, Lam Sơn, Ngọc Trạo trên cơ sở giải thể thị trấn Bỉm Sơn và thị trấn Nông trường Hà Trung[3].

Ngày 7 tháng 2 năm 1991, thành lập phường Bắc Sơn trên cơ sở điều chỉnh một phần diện tích tự nhiên và nhân khẩu của phường Ba Đình.

Ngày 11 tháng 4 năm 2002, thành lập phường Đông Sơn trên cơ sở 1.931,1 ha diện tích tự nhiên và 8.650 nhân khẩu của phường Lam Sơn[4].

Ngày 8 tháng 12 năm 2009, thành lập phường Phú Sơn trên cơ sở điều chỉnh 287,85 ha diện tích tự nhiên và 7.163 nhân khẩu của xã Quang Trung[5].

Ngày 29 tháng 5 năm 2015, Bộ Xây dựng ban hành Quyết định số 601/QĐ-BXD công nhận thị xã Bỉm Sơn là đô thị loại III trực thuộc tỉnh Thanh Hóa[6].

Ngày 16 tháng 10 năm 2019, Ủy ban Thường vụ Quốc hội thông qua Nghị quyết số 786/NQ-UBTVQH14 về việc sắp xếp các đơn vị hành chính cấp xã thuộc tỉnh Thanh Hóa. Theo đó, sáp nhập xã Hà Lan vào phường Đông Sơn.[7]

Thị xã Bỉm Sơn có 6 phường và 1 xã trực thuộc như hiện nay.