Tỉnh Hà Tây được thành lập ngày 1 tháng 7 năm 1965 theo Quyết định số 103-NQ-TVQH của Ủy ban thường vụ Quốc hội ngày 21 tháng 4 năm 1965 trên cơ sở sáp nhập hai tỉnh Sơn Tây và Hà Đông. Lúc đó tỉnh Sơn Tây bao gồm các huyện: Bất Bạt, Tùng Thiện, Thạch Thất, Quốc Oai, Phúc Thọ, Quảng Oai. Tỉnh Hà Đông bao gồm các huyện: Chương Mỹ, Đan Phượng, Hoài Đức, Mỹ Đức, Phú Xuyên, Thanh Oai, Thường Tín, Ứng Hòa.

Khi hợp nhất, tỉnh Hà Tây gồm 2 thị xã: Hà Đông (tỉnh lỵ), Sơn Tây và 14 huyện: Bất Bạt, Chương Mỹ, Đan Phượng, Hoài Đức, Mỹ Đức, Phú Xuyên, Phúc Thọ, Quảng Oai, Quốc Oai, Thạch Thất, Thanh Oai, Thường Tín, Tùng Thiện, Ứng Hòa.

Ngày 26 tháng 7 năm 1968, hợp nhất 3 huyện Bất Bạt, Quảng Oai và Tùng Thiện thành huyện Ba Vì.

Ngày 27 tháng 12 năm 1975 hợp nhất với tỉnh Hòa Bình thành tỉnh Hà Sơn Bình.

Năm 1978 hai thị xã Sơn Tây và Hà Đông, 5 huyện Ba Vì, Phúc Thọ, Thạch Thất, Đan Phượng, Hoài Đức của tỉnh Hà Sơn Bình cùng một số xã của các huyện Quốc Oai, Chương Mỹ, Thanh Oai, Thường Tín được chuyển về Hà Nội. Tuy nhiên thị xã Hà Đông vẫn tạm thời là tỉnh lỵ tỉnh Hà Sơn Bình.

Theo Nghị quyết của Quốc hội khóa VIII kỳ họp thứ 9 ngày 12 tháng 8 năm 1991, tỉnh Hà Tây được tái lập và 5 huyện Ba Vì, Phúc Thọ, Thạch Thất, Đan Phượng, Hoài Đức cùng 2 thị xã Sơn Tây và Hà Đông được trả về cho Hà Tây, tổng cộng có 2 thị xã: Hà Đông (tỉnh lỵ), Sơn Tây và 12 huyện: Ba Vì, Chương Mỹ, Đan Phượng, Hoài Đức, Mỹ Đức, Phú Xuyên, Phúc Thọ, Quốc Oai, Thạch Thất, Thanh Oai, Thường Tín, Ứng Hòa. Khi đó tỉnh có diện tích là 2.169 km², với dân số 2.086.926 người.

Tháng 12 năm 2006, Thủ tướng chính phủ ký nghị định thành lập thành phố Hà Đông thuộc tỉnh Hà Tây với diện tích tự nhiên là 4,791.7 ha, 228.715 nhân khẩu, có 15 đơn vị hành chính gồm 7 phường và 8 xã.

Tháng 8 năm 2007, Thủ tướng chính phủ ký nghị định thành lập thành phố Sơn Tây thuộc tỉnh Hà Tây có 15 đơn vị hành chính gồm 6 phường và 9 xã.

Ngày 29 tháng 5 năm 2008, toàn bộ diện tích và dân số của xã Tân Đức thuộc huyện Ba Vì được chuyển về thành phố Việt Trì, tỉnh Phú Thọ theo Nghị quyết của Quốc hội về việc điều chỉnh địa giới hành chính giữa tỉnh Hà Tây và tỉnh Phú Thọ[2] (nay xã Tân Đức đã sáp nhập vào phường Minh Nông thuộc thành phố Việt Trì).

Cuối tháng 7 năm 2008, tỉnh Hà Tây có 2 thành phố: Hà Đông (tỉnh lỵ), Sơn Tây và 12 huyện: Ba Vì, Chương Mỹ, Đan Phượng, Hoài Đức, Mỹ Đức, Phú Xuyên, Phúc Thọ, Quốc Oai, Thạch Thất, Thanh Oai, Thường Tín, Ứng Hòa.

Từ 1 tháng 8 năm 2008, toàn bộ diện tích, dân số của tỉnh Hà Tây được sáp nhập vào Hà Nội.[3] Từ đây, tỉnh Hà Tây chính thức bị giải thể.

Ngày 8 tháng 5 năm 2009, thành phố Hà Đông trở thành một quận của thủ đô Hà Nội, còn thành phố Sơn Tây được chuyển trở lại thành thị xã Sơn Tây. Đồng thời, địa giới các huyện Quốc Oai, Thạch Thất cũng được điều chỉnh lại, sáp nhập thêm 4 xã thuộc huyện Lương Sơn, tỉnh Hòa Bình.