Thời Việt Nam Cộng hòa, địa bàn huyện Duyên Hải và thị xã Duyên Hải ngày nay tương ứng với quận Long Toàn, tỉnh Vĩnh Bình, được thành lập vào ngày 21 tháng 7 năm 1956. Quận Long Toàn có 1 tổng Vĩnh Trị, quận lỵ đặt tại xã Long Toàn.

Sau ngày 30 tháng 04 năm 1975, quận Long Toàn bị giải thể, nhập vào huyện Cầu Ngang.

Ngày 29 tháng 09 năm 1981, Hội đồng Bộ trưởng ban hành Quyết định số 98-HĐBT, về việc phân vạch địa giới một số huyện thuộc tỉnh Cửu Long. Theo đó, chia huyện Cầu Ngang thành huyện Cầu Ngang và huyện Duyên Hải. Huyện Duyên Hải gồm có các xã Long Vĩnh, Trường Long Hòa, Dân Thành, Long Khánh, Long Toàn, Long Hữu, Ngũ Lạc, Hiệp Thạnh. Trụ sở huyện đóng tại xã Long Toàn.

Ngày 27 tháng 03 năm 1985, thành lập xã Đông Hải trên cơ sở một phần diện tích và dân số của các xã Dân Thành và Long Vĩnh.

Ngày 26 tháng 12 năm 1991, tỉnh Cửu Long được chia thành tỉnh Vĩnh Long và tỉnh Trà Vinh, huyện Duyên Hải thuộc tỉnh Trà Vinh.

Ngày 07 tháng 10 năm 1995, thành lập thị trấn Duyên Hải trên cơ sở một phần diện tích và dân số của xã Long Toàn.

Ngày 08 tháng 06 năm 2011, thành lập thị trấn Long Thành trên cơ sở một phần diện tích và dân số của xã Long Khánh[1].

Cuối năm 2014, huyện Duyên Hải bao gồm thị trấn Duyên Hải, thị trấn Long Thành và 9 xã: Hiệp Thạnh, Trường Long Hòa, Dân Thành, Đông Hải, Long Hữu, Long Toàn, Long Khánh, Ngũ Lạc, Long Vĩnh.

Ngày 15 tháng 05 năm 2015, toàn bộ diện tích tự nhiên và nhân khẩu của thị trấn Duyên Hải và các xã Long Toàn, Long Hữu, Trường Long Hòa, Hiệp Thạnh, Dân Thành được tách ra để thành lập thị xã Duyên Hải. Đồng thời, 2 xã Đôn Châu và Đôn Xuân thuộc huyện Trà Cú được chuyển về huyện Duyên Hải quản lý[2].

Như vậy, huyện Duyên Hải có 1 thị trấn và 6 xã như hiện nay.