Dựa vào những di chỉ và dấu vết cổ sử - khảo cổ học, các nhà sử học thuộc Viện Sử học Việt Nam đã thống nhất rằng, từ xa xưa nơi đây là một trong nhiều địa điểm tụ cư của các nhóm dân có nguồn gốc Mã Lai - Đa Đảo (phản ánh trong truyền thuyết Sơn Tinh - Thủy Tinh). Cửa Lò thật ra là một địa danh Việt hóa từ Kuala (tiếng Malay: Bãi bồi có nhiều cát sỏi).[cần dẫn nguồn] Tuy nhiên có nơi ghi là Lò là tên Nôm của Hoàng La, tục gọi là làng Lò, một ngôi làng cổ của Diễn Châu.[2]

Ngày 29 tháng 8 năm 1994, Chính phủ ban hành Nghị định 113-CP năm 1994 về việc thành lập thị xã Cửa Lò thuộc tỉnh Nghệ An.[3] Theo đó:

1. Tách toàn bộ diện tích tự nhiên và nhân khẩu của thị trấn Cửa Lò và 4 xã: Nghi Thu, Nghi Hương, Nghi Hòa, Nghi Hải; 50 ha diện tích tự nhiên và 2.291 nhân khẩu của xã Nghi Quang thuộc huyện Nghi Lộc để thành lập thị xã Cửa Lò có diện tích tự nhiên 2.329 ha với nhân khẩu 37.712
2. Thành lập phường Nghi Tân trên cơ sở diện tích tự nhiên 58 ha với nhân khẩu 6.800 của thị trấn Cửa Lò và diện tích tự nhiên 50 ha với nhân khẩu 2.291 của xã Nghi Quang. Phường Nghi Tân có diện tích tự nhiên 108 ha với nhân khẩu 9.091
3. Thành lập phường Thu Thủy trên cơ sở phần còn lại của thị trấn Cửa Lò gồm 98 ha diện tích tự nhiên với nhân khẩu 5.200
4. Thành lập phường Nghi Thủy trên cơ sở diện tích tự nhiên 94 ha với nhân khẩu 5.400 của thị trấn Cửa Lò
5. Thành lập phường Nghi Hòa trên cơ sở giữ nguyên diện tích tự nhiên 350 ha với nhân khẩu 3.000 của xã Nghi Hoà
6. Thành lập phường Nghi Hải trên cơ sở giữ nguyên diện tích tự nhiên 387 ha với nhân khẩu 7.994 của xã Nghi Hải
7. Sau khi thành lập, thị xã Cửa Lò có 7 đơn vị hành chính cấp xã trực thuộc, bao gồm 5 phường: Nghi Hải, Nghi Hòa, Nghi Tân, Nghi Thủy, Thu Thủy và 2 xã: Nghi Hương, Nghi Thu.

Ngày 12 tháng 3 năm 2009, Bộ Xây dựng công nhận thị xã Cửa Lò là đô thị loại III.[4]

Ngày 30 tháng 9 năm 2010, chuyển 2 xã Nghi Hương và Nghi Thu thành 2 phường có tên tương ứng.[5] Sau khi thành lập các phường, thị xã Cửa Lò có 2.781,43 ha diện tích tự nhiên và 70.398 nhân khẩu và có 7 phường trực thuộc, gồm: Nghi Hương, Nghi Thu, Nghi Tân, Nghi Thủy, Thu Thủy, Nghi Hải, Nghi Hòa.

Thị xã Cửa Lò có 7 phường như hiện nay.