- Thời Hùng Vương (Thế kỷ thứ VII-258 TCN), nước Việt Thường Thị được chia làm 2 bộ là Việt Thường và Cửu Đức. Địa phận của bộ Việt Thường là vùng Nam Hà Tĩnh, trong đó có Cẩm Xuyên ngày nay.

- Thời Triệu Đà trị vì (208-111 TCN) và nhà Hán đô hộ (111 TCN-220), nước Nam Việt được chia làm 7 quận, quận Cửu Chân có 5 huyện, trong đó huyện Hàm Hoan nằm ở cực Nam. Vùng Cẩm Xuyên ngày nay thuộc huyện Hàm Hoan lúc đó.

- Thời Ngô (Tam Quốc, 220-280), Lưỡng Tấn (265-420) và các triều đại Tống, Tề, Lương (420-557), nước ta chia làm 6 quận, vùng Hà Tĩnh thuộc quận Cửu Đức với 8 huyện. Vùng nam Hà Tĩnh ứng với huyện Nam Lăng.

- Thời nhà Tuỳ đô hộ (581-618), nước ta bị chia làm 7 quận, trong đó quận Nhật Nam thuộc Nghệ An - Hà Tĩnh ngày nay. Huyện Việt Thường là một trong 8 huyện của quận Nhật Nam nằm phía Đông Nam Hà Tĩnh, đất Cẩm Xuyên lúc đó thuộc huyện Việt Thường.

- Thời nhà Đường đô hộ (618-905), nước ta chia thành 12 quận và 14 châu, trong đó vùng đất Nghệ -Tĩnh ngày nay là châu Hoan, đất Cẩm Xuyên vẫn thuộc huyện Việt Thường.

- Hơn một thế kỷ từ Họ Khúc (905-917), Nhà Ngô (939-967) đến Nhà Đinh (968-980) là thời kỳ chuyển giao lịch sử từ bị đô hộ sang độc lập, không có sử liệu về lịch sử hành chính nước ta.

- Thời Tiền Lê (Lê Đại Hành, 980-1009) diễn ra việc sắp xếp lại hành chính trong cả nước, riêng vùng Hà Tĩnh lúc đó có châu mới Thạch Hà, đất Cẩm Xuyên thuộc về châu Thạch Hà.

- Thời nhà Lý: Năm 1036, châu Hoan được đổi thành châu Nghệ An. Các đơn vị hành chính cấp dưới vẫn giữ nguyên.

- Thời nhà Trần: Năm 1242 châu Nghệ An đổi thành phủ Nghệ An với 5 châu trực thuộc. Vùng Nam Hà Tĩnh thuộc châu Nam Tĩnh, dưới có 4 huyện: Hà Hoàng, Bài Thạch, Hà Hoa và Kỳ La. Huyện Kỳ La có địa phận tương ứng với đất huyện Cẩm xuyên ngày nay (Kỳ La là tên gọi của vùng cửa Nhượng ngày xưa, lúc đầu người Việt cổ gọi là Kẻ La, khi người Hán tràn xuống gọi chệch thành Cơ La rồi đổi thành Kỳ La). Năm 1397, Nhà Trần đổi phủ Nghệ An thành trấn Lâm An, cho nhập hai huyện Hà Hoa với Kỳ La thành huyện Kỳ Hoa.

- Thời thuộc Minh (1407-1428), nhà Minh đổi nước ta thành quận Giao Chỉ, dưới quận có phủ, châu và huyện. Năm 1419, đặt phủ Hà Hoa gồm hai huyện Thạch Hà và Kỳ Hoa.

-Thời Hậu Lê (1428-1788): Nhà Hậu Lê không có những thay đổi lớn về hệ thống hành chính. Suốt từ thế kỷ XV đến thế kỷ XVII đất Cẩm Xuyên vẫn thuộc huyện Kỳ Hoa, phủ Hà Hoa.

- Thời Nguyễn (1802-1945): Năm 1831 trấn Nghệ An được chia thành 2 tỉnh là Nghệ An và Hà Tĩnh. Năm 1837, huyện Kỳ Hoa được tách làm 2 huyện là Kỳ Hoa và Hoa Xuyên. Tên gọi Hoa Xuyên có lẽ được đặt do ghép tên của 2 tổng là Hoa Duệ và Lạc Xuyên (trong số 4 tổng) thuộc huyện này.

Năm 1841, Minh Mạng vì kỵ húy đã cho đổi Kỳ Hoa thành Kỳ Anh và Hoa Xuyên thành Cẩm Xuyên. Cũng năm này phủ Hà Hoa đổi thành phủ Hà Thanh gồm 3 huyện Kỳ Anh, Cẩm Xuyên, Thạch Hà.

Các đơn vị hành chính cấp dưới:

Huyện Cẩm Xuyên khi mới thành lập có 4 tổng là Hoa Duệ (Mỹ Duệ), Lạc Xuyên, Thổ Ngõa và Vân Tán.

Tổng Hoa Duệ có các xã: Hoa Duệ, Hương Duệ, Quan Duệ, Hương Cần,  Tam Lộng, Thạch Lâu, Vịnh Lại và vạn A Mè.

  Tổng Vân Tán có các xã: Vân Tán, Nhược Thạch, Quyết Nhược, Thạch Khê Thượng, Thạch Khê Trung, Thạch Khê Hạ, Vân Phong, Cẩm Bào, Hải An,    Hoa Hương, Kỳ La, trại Tuấn Nghĩa và phường Giang Phái.

Tổng Thổ Ngõa có các xã:  Ngoã Cầu, Thổ Ngoã,  Phượng Hoàng.

Tổng Lạc Xuyên có các xã:  Dư Lạc, Lạc Xuyên, Hoá Dục, Nhượng Bạn, Tư Dung.                                                                                

Sau Cách mạng Tháng Tám (1945) huyện Cẩm Xuyên chia làm 15 xã: Cẩm Vân, Đại Thành, Hà Huy Tập, Mỹ Duệ, Nam Dương, Nam Lạc, Ngũ Phúc, Nguyễn Đình Liện, Nhượng Bạn, Quang Huy, Tam Quan, Thạch Lâu, Trung Lạc, Vĩnh Lại, Yên Hòa.

Năm 1954 huyện Cẩm Xuyên lại chia làm 27 xã với chữ đầu là “Cẩm”: Cẩm Bình, Cẩm Duệ, Cẩm Dương, Cẩm Hà, Cẩm Hoà, Cẩm Huy, Cẩm Hưng, Cẩm Lạc, Cẩm Lĩnh, Cẩm Long, Cẩm Lộc, Cẩm Minh, Cẩm Mỹ, Cẩm Nam, Cẩm Nhượng, Cẩm Phúc, Cẩm Quan, Cẩm Quang, Cẩm Sơn, Cẩm Thạch, Cẩm Thành, Cẩm Thăng, Cẩm Tiến, Cẩm Trung, Cẩm Thịnh, Cẩm Vịnh, Cẩm Yên.

Từ năm 2020 huyện Cẩm Xuyên có 2 thị trấn: Thị trấn Cẩm Xuyên, Thị trấn Thiên Cầm và 21 xã: Cẩm Bình, Cẩm Duệ, Cẩm Dương, Cẩm Hà, Cẩm Hưng, Cẩm Lạc, Cẩm Lĩnh, Cẩm Lộc, Cẩm Minh, Cẩm Mỹ, Cẩm Nhượng, Cẩm Quan, Cẩm Quang, Cẩm Sơn, Cẩm Thạch, Cẩm Thành, Cẩm Trung, Cẩm Thịnh, Cẩm Vịnh, Nam Phúc Thăng, Yên Hòa.

Một số thay đổi đơn vị hành chính cấp dưới của Huyện Cẩm Xuyên như sau:

Ngày 17 tháng 5 năm 1986, thành lập thị trấn Cẩm Xuyên trên cơ sở 91,5 ha diện tích tự nhiên với 130 nhân khẩu của xã Cẩm Tiến; 52 ha diện tích tự nhiên với 130 nhân khẩu của xã Cẩm Quan và 3.783 nhân khẩu là cán bộ, công nhân viên Nhà nước.

Ngày 19 tháng 11 năm 1997, sáp nhập xã Cẩm Tiến vào thị trấn Cẩm Xuyên.

Ngày 3 tháng 10 năm 2003, thành thị trấn Thiên Cầm trên cơ sở toàn bộ diện tích và dân số của xã Cẩm Long.

Ngày 21 tháng 11 năm 2019, Ủy ban Thường vụ Quốc hội ban hành Nghị quyết số 819/NQ-UBTVQH14 về việc sắp xếp đơn vị hành chính cấp xã thuộc tỉnh Hà Tĩnh (nghị quyết có hiệu lực từ ngày 1 tháng 1 năm 2020)[1]. Theo đó:

• Sáp nhập ba xã Cẩm Nam, Cẩm Phúc, Cẩm Thăng thành xã Nam Phúc Thăng
• Sáp nhập xã Cẩm Yên và xã Cẩm Hòa thành xã Yên Hòa
• Sáp nhập xã Cẩm Huy vào thị trấn Cẩm Xuyên.

Huyện Cẩm Xuyên có 1 thị trấn và 21 xã như hiện nay.