Thời Hùng Vương, Diễn Châu nằm trong bộ Hoài Hoan. Sau đó, thuộc quận Cửu Chân rồi quận Cửu Đức, quận Nhật Nam.

Thời Nhà Đường Niên hiệu Vũ Đức, chia quận Nhật Nam thành Nam Đức châu, Lạo châu, Minh Châu và Hoan Châu. Năm Trinh Quán nguyên niên đổi Đức Châu lại làm Hoan Châu, còn Hoan Châu cũ thì đổi làm Diễn Châu. Năm thứ 16 bỏ Diễn Châu hợp vào Châu Hoan.

Thời Nhà Lý năm Cảnh Hựu thứ ba (Bính Tí - 1036). Mùa hạ, tháng 4, Đặt hình dinh ở Châu Hoan, đổi tên châu ấy thành Nghệ An. Diễn Châu tách khỏi Nghệ An thì đứng riêng làm châu; Nghệ An lúc đó là vùng đất còn lại và tỉnh Hà Tĩnh ngày nay.

Thời Nhà Trần, năm Long Khánh thứ ba đổi Diễn Châu làm Diễn Châu lộ, chia Hoan Châu làm 4 lộ: Nhật Nam và Nghệ An nam, Nghệ An bắc, Nghệ An trung, cũng gọi là Nghệ An phủ. Năm Quang Thái thứ 10 đổi Nghệ An làm Lâm An trấn, Diễn Châu làm Vọng An trấn. Trong chiến tranh với Mông Cổ, vua Trần có ngâm câu thơ: Cối Kê chuyện cũ ngươi nên nhớ, Hoan Diễn kia còn tồn thập vạn binh. Ý chỉ vùng đất này có lực lượng dự bị hùng hậu, sẵn sàng huy động dùng cho việc đánh giặc.

Thời Nhà Hồ đổi Diễn Châu làm Linh Nguyên phủ, cùng với Thanh Hóa, Cửu Chân, Ái Châu gọi là tứ phủ.

Thời thuộc Minh, Diễn Châu và Nghệ An là 2 phủ riêng biệt

Thời Hậu Lê, phủ Diễn Châu thuộc Nghệ An thừa tuyên. Năm Hồng Đức thứ 21 đổi thừa tuyên Nghệ An thành xứ Nghệ, phủ Diễn Châu là một trong 8 phủ của Xứ Nghệ, quản lĩnh 2 huyện: Đông Thành (Yên Thành và Diễn Châu ngày nay) và Quỳnh Lưu.

Thời Nhà Nguyễn, năm Minh Mạng thứ 12 (1831), trấn Nghệ An chia tách thành 2 tỉnh Hà Tĩnh và Nghệ An, phủ Diễn Châu là một trong 4 phủ của tỉnh Nghệ An, gồm: Đông Thành, Yên Thành, Nghi Lộc và Quỳnh Lưu.

Năm 1919, chính quyền thực dân phong kiến bỏ cấp phủ: Huyện Đông Thành đổi thành phủ Diễn Châu, tỉnh Nghệ An.

Sau năm 1945, phủ Diễn Châu được gọi là huyện Diễn Châu, bao gồm 41 xã: Diễn An, Diễn Bích, Diễn Bình, Diễn Cát, Diễn Đoài, Diễn Đồng, Diễn Hải, Diễn Hạnh, Diễn Hoa, Diễn Hoàng, Diễn Hồng, Diễn Hùng, Diễn Kim, Diễn Kỷ, Diễn Lâm, Diễn Liên, Diễn Lộc, Diễn Lợi, Diễn Minh, Diễn Mỹ, Diễn Ngọc, Diễn Nguyên, Diễn Phong, Diễn Phú, Diễn Phúc, Diễn Quảng, Diễn Tân, Diễn Thái, Diễn Thắng, Diễn Thành, Diễn Tháp, Diễn Thịnh, Diễn Thọ, Diễn Thủy, Diễn Tiến, Diễn Trung, Diễn Trường, Diễn Vạn, Diễn Viên, Diễn Xuân, Diễn Yên.

Ngày 22 tháng 5 năm 1969: giải thể xã Diễn Viên, địa bàn nhập vào các xã Diễn Hoa và Diễn Hạnh; sáp nhập xã Diễn Thủy vào xã Diễn Ngọc; sáp nhập xã Diễn Tiến vào xã Diễn Thành.

Ngày 23 tháng 2 năm 1977, thành lập thị trấn Diễn Châu - thị trấn huyện lị huyện Diễn Châu - trên cơ sở điều chỉnh một phần diện tích tự nhiên và dân số của các xã Diễn Phúc và Diễn Thành.

Ngày 17 tháng 12 năm 2019 sáp nhập 3 xã Diễn Bình, Diễn Minh, Diễn Thắng thành xã Minh Châu.[2]

Huyện Diễn Châu có 1 thị trấn và 36 xã như hiện nay.