Hàm Yên xưa là huyện Sóc Sùng, đời Minh là huyện Văn Yên, sau nhập vào huyện Khoáng. Đời Lê sơ gọi là huyện Sùng Yên sau đổi là Phúc Yên. Năm Minh Mạng thứ 3 (1822) kị húy chữ Phúc, đổi là Hàm Yên. Năm Duy Tân thứ 7 (1913) chia huyện Hàm Yên thành 2 huyện Hàm Yên và Yên Sơn.

Tháng 12 năm 1975, hợp nhất hai tỉnh Tuyên Quang và Hà Giang thành tỉnh Hà Tuyên, Hàm Yên là một huyện của tỉnh Hà Tuyên. Năm 1991, khi tách trở lại thành Tuyên Quang và Hà Giang, Hàm Yên trở lại là huyện của tỉnh Tuyên Quang.

Sau năm 1954, huyện Hàm Yên có 17 xã: Bạch Xa, Bằng Cốc, Bình Xa, Đức Ninh, Hành Mai, Hùng Đức, Minh Dân, Minh Hương, Minh Khương, Nhân Mục, Phù Lưu, Thái Hòa, Thái Sơn, Tân Thành, Thành Long, Tự Do, Yên Hương.

Ngày 26 tháng 12 năm 1970, hợp nhất xã Tự Do và xã Hành Mai thành một xã lấy tên là xã Yên Thuận.[3]

Ngày 19 tháng 11 năm 1985, thành lập thị trấn Tân Yên, thị trấn huyện lỵ huyện Hàm Yên trên cơ sở một phần diện tích và dân số của xã Nhân Mục.[4]

Ngày 15 tháng 7 năm 1999, chia xã Yên Hương thành hai xã Yên Lâm và Yên Phú.

Huyện Hàm Yên có 1 thị trấn và 17 xã như hiện nay.