Kể từ năm 1653, khi chúa Nguyễn Phúc Tần lập ra dinh Thái Khang với 2 phủ và 5 huyện, qua các đời vua Minh Mạng, Thành Thái, Duy Tân đến Bảo Đại sau này với nhiều cách phân định ranh giới, lập các đơn vị hành chính khác nhau. Cho đến giữa năm 1939, Cam Ranh ngày nay vẫn là một phần đất của huyện Vĩnh Xương (gồm các tổng Thủy Triều, Cam Linh, Thịnh Xương và 6 tổng miền núi) giáp với tỉnh Ninh Thuận.

Giữa năm 1939, với nghị định ngày 8 tháng 6 của Toàn quyền Đông Dương Georges Catroux và chỉ dụ số 17 của Bảo Đại, tách một phần đất của Ninh Thuận và huyện Vĩnh Xương lập một đơn vị hành chính tương đương cấp huyện, trực thuộc tỉnh Khánh Hòa gọi là Nha đại lý hành chính Ba Ngòi, năm 1947 đổi thành quận Cam Lâm.

Từ năm 1965 - 1972, Hoa Kỳ đóng quân ở đây và gọi là Căn cứ không quân Cam Ranh (hay Quân cảng Cam Ranh). Năm 1978, Liên Xô - mà sau này do Nga kế tục - thuê lại căn cứ Cam Ranh với thời hạn đến năm 2004, nhưng đã kết thúc sớm hơn hai năm.

Tháng 10 năm 1965, Tổng thống Nguyễn Văn Thiệu ký sắc lệnh số 206 ngày 25 tháng 1, lấy các xã Suối Vĩnh, Suối Hải, Suối Hoà, Cam Phúc, Cam Ranh, Cam Bình, Cam Linh, Cam Lộc của quận Cam Lâm và phần đất đã nhập vào quận Du Long (tỉnh Ninh Thuận) trước đó là các thôn Hoà Diêm, Trại Láng, Ma Dù, Sông Cạn, Mỹ Thạnh thành lập thị xã Cam Ranh (trực thuộc trung ương). Đến ngày 6 tháng 7 năm 1966, Nghị định số 620 BNV/NC/NĐ đổi các xã thuộc thị xã Cam Ranh thành khu phố. Sắc lệnh số 17-SL/NV ngày 20 tháng 2 năm 1968, lấy thêm xã Cam Sơn và một phần xã Cam Phú, Cam Thượng của quận Cam Lâm sáp nhập vào thị xã Cam Ranh. Nghị định số 1048-NĐ/NV ngày 7 tháng 11 năm 1970, chia thị xã Cam Ranh thành hai quận là quận Bắc và quận Nam. Quận Bắc gồm các khu phố: Suối Hòa, Suối Vĩnh, Suối Hải, Suối Cam; quận Nam gồm các khu phố: Cam Phúc, Cam Bình, Cam Ranh, Cam Phú, Cam Lộc, Cam Sơn, Cam Thịnh.

Dưới chính quyền phía Cộng sản (đóng tại Khánh Sơn), để thuận tiện cho sự chỉ đạo từng thời kỳ, địa giới hành chính huyện Ba Ngòi cũng có một số thay đổi. Cuối năm 1949, nhập tổng Hòa Tân vào huyện Ba Ngòi, đầu năm 1951, tách huyện Ba Ngòi thành 2 khu: khu đặc biệt Cam Ranh và huyện Khánh Sơn.

Sau năm 1975, thị xã Cam Ranh hợp nhất với hai tỉnh Khánh Hòa và Phú Yên thành tỉnh Phú Khánh. Lúc này, thị xã Cam Ranh hợp nhất với quận Cam Lâm thành huyện Cam Ranh thuộc tỉnh Phú Khánh.

Ngày 10 tháng 3 năm 1977, Hội đồng Chính phủ ban hành Quyết định 49-CP sáp nhập huyện Khánh Sơn vào huyện Cam Ranh[6]. Huyện Cam Ranh gồm 18 xã: Ba Cụm, Cam An, Cam Bình, Cam Đức, Cam Hải, Cam Hiệp, Cam Hòa, Cam Lập, Cam Nghĩa, Cam Phúc, Cam Phước, Cam Tân, Cam Thành, Cam Thịnh, Sơn Hiệp, Sơn Tân, Thành Sơn, Trung Hạp.

Ngày 23 tháng 10 năm 1978, thành lập thị trấn Ba Ngòi, thị trấn huyện lỵ huyện Cam Ranh[7].

Ngày 30 tháng 9 năm 1981, chia xã Cam Thành thành hai xã lấy tên là xã Cam Thành Bắc và xã Cam Thành Nam; chia xã Cam Phúc thành hai xã lấy tên là xã Cam Phúc Bắc và Cam Phúc Nam[8].

Ngày 27 tháng 6 năm 1985, tách 4 xã: Ba Cụm, Sơn Hiệp, Thành Sơn, Trung Hạp để tái lập huyện Khánh Sơn[9]. Huyện Cam Ranh còn lại thị trấn Ba Ngòi và 16 xã: Cam An, Cam Bình, Cam Đức, Cam Hải, Cam Hiệp, Cam Hòa, Cam Lập, Cam Nghĩa, Cam Phúc Bắc, Cam Phúc Nam, Cam Phước, Cam Tân, Cam Thành Bắc, Cam Thành Nam, Cam Thịnh, Sơn Tân.

Ngày 13 tháng 9 năm 1985, chia xã Cam An thành 2 xã lấy tên là xã Cam An Bắc và xã Cam An Nam; chia xã Cam Phước thành 2 xã lấy tên là xã Cam Phước Đông và xã Cam Phước Tây; chia xã Cam Thịnh thành 2 xã lấy tên là xã Cam Thịnh Đông và xã Cam Thịnh Tây; chia xã Cam Hải thành 2 xã lấy tên là xã Cam Hải Đông và Cam Hải Tây[10].

Ngày 16 tháng 4 năm 1988, chia xã Cam Hiệp thành hai xã lấy tên là xã Cam Hiệp Nam và xã Cam Hiệp Bắc[11].

Ngày 30 tháng 6 năm 1989, tỉnh Khánh Hòa được tái lập từ tỉnh Phú Khánh, huyện Cam Ranh thuộc tỉnh Khánh Hòa[12].

Cuối năm 1999, huyện Cam Ranh có 22 đơn vị hành chính gồm thị trấn Ba Ngòi và 21 xã: Cam An Bắc, Cam An Nam, Cam Bình, Cam Đức, Cam Hải Đông, Cam Hải Tây, Cam Hiệp Bắc, Cam Hiệp Nam, Cam Hòa, Cam Lập, Cam Nghĩa, Cam Phúc Bắc, Cam Phúc Nam, Cam Phước Đông, Cam Phước Tây, Cam Tân, Cam Thành Bắc, Cam Thành Nam, Cam Thịnh Đông, Cam Thịnh Tây, Sơn Tân.

Ngày 7 tháng 7 năm 2000, Chính phủ ban hành Nghị định 21/2000/NĐ-CP về việc thành lập thị xã Cam Ranh thuộc tỉnh Khánh Hòa[1]. Theo đó:

• Thành lập thị xã Cam Ranh trên cơ sở toàn bộ diện tích và dân số của huyện Cam Ranh.
• Thành lập 6 phường: Ba Ngòi, Cam Linh, Cam Lộc, Cam Lợi, Cam Phú, Cam Thuận trên cơ sở giải thể thị trấn Ba Ngòi.
• Chuyển 3 xã: Cam Nghĩa, Cam Phúc Bắc, Cam Phúc Nam thành 3 phường có tên tương ứng.

Sau khi thành lập, thị xã Cam Ranh có 68.435 ha diện tích tự nhiên và 191.066 nhân khẩu với 27 đơn vị hành chính trực thuộc, gồm 9 phường: Ba Ngòi, Cam Linh, Cam Lộc, Cam Lợi, Cam Nghĩa, Cam Phú, Cam Phúc Nam, Cam Phúc Bắc, Cam Thuận và 18 xã: Cam Bình, Cam Lập, Cam Phước Đông, Cam Thành Nam, Cam Thịnh Đông, Cam Thịnh Tây, Cam Tân, Cam Hòa, Sơn Tân, Cam Hải Tây, Cam Đức, Cam Hiệp Bắc, Cam Hiệp Nam, Cam Thành Bắc, Cam An Bắc, Cam An Nam, Cam Phước Tây, Cam Hải Đông

Ngày 11 tháng 4 năm 2007, tách 12 xã: Cam Tân, Cam Hòa, Sơn Tân, Cam Hải Tây, Cam Đức, Cam Hiệp Bắc, Cam Hiệp Nam, Cam Thành Bắc, Cam An Bắc, Cam An Nam, Cam Phước Tây, Cam Hải Đông của thị xã Cam Ranh để thành lập huyện Cam Lâm[13].

Ngày 3 tháng 6 năm 2009, thị xã Cam Ranh được công nhận là đô thị loại III[14].

Ngày 23 tháng 12 năm 2010, Chính phủ ban hành Nghị quyết 65/NQ-CP thành lập thành phố Cam Ranh trên cơ sở toàn bộ diện tích và dân số của thị xã Cam Ranh[2]. Thành phố Cam Ranh có 9 phường và 6 xã trực thuộc.