Địa bàn xã Hoàng Liên trước đây tương ứng với phần lớn hai xã Lao Chải và San Sả Hồ thuộc huyện Sa Pa.

Đến năm 2018, xã Lao Chải có diện tích 29,21 km², dân số là 3.991 người; xã San Sả Hồ có diện tích 55,84 km², dân số là 4.468 người.

Ngày 11 tháng 9 năm 2019, Ủy ban Thường vụ Quốc hội ban hành Nghị quyết 767/NQ-UBTVQH14 (nghị quyết có hiệu lực từ ngày 1 tháng 1 năm 2020)[1]. Theo đó:

• Thành lập thị xã Sa Pa trên cơ sở toàn bộ diện tích và dân số của huyện Sa Pa
• Điều chỉnh một phần diện tích và dân số của hai xã Lao Chải và San Sả Hồ để thành lập các phường: Cầu Mây, Ô Quý Hồ, Phan Si Păng, Sa Pa và Sa Pả
• Thành lập xã Hoàng Liên thuộc thị xã Sa Pa trên cơ sở sáp nhập 21,87 km² diện tích tự nhiên, 1.970 người còn lại của xã Lao Chải và 47,16 km² diện tích tự nhiên, 3.349 người còn lại của xã San Sả Hồ.

Sau khi thành lập, xã Hoàng Liên có 69,03 km² diện tích tự nhiên và 5.319 người.