Huyện được thành lập ngày 11 tháng 3 năm 1977 trên cơ sở hợp nhất huyện Cát Hải cũ và huyện Cát Bà, ban đầu gồm thị trấn Cát Bà và 13 xã: Cao Minh, Đồng Bài, Gia Lộc, Gia Luận, Hiền Hào, Hòa Quang, Hoàng Châu, Nghĩa Lộ, Phù Long, Trân Châu, Văn Phong, Việt Hải, Xuân Đám. Ngày 13 tháng 3 năm 1979, giải thể xã Cao Minh để sáp nhập vào xã Hòa Quang và thị trấn Cát Bà. Ngày 23 tháng 4 năm 1988, giải thể 2 xã Hòa Quang và Gia Lộc để thành lập thị trấn Cát Hải; tách 20 ha diện tích tự nhiên và 307 nhân khẩu của xã Trân Châu để sáp nhập vào thị trấn Cát Bà.