Hương Trà là vùng đất có lịch sử lâu đời. Những phát hiện khảo cổ học gần đây cho thấy rõ dấu vết của người xưa trên mảnh đất này. Những di vật như rìu đá, đồ gốm được tìm thấy ở Phụ Ổ, Bàu Ðưng (Hương Chữ) cho phép khẳng định đây là các di tích có niên đại cách đây trên dưới 4.000 năm. Di tích khảo cổ quan trọng gắn liền với nền văn hóa Sa Huỳnh được tìm thấy lần đầu tiên tại Thừa Thiên Huế năm 1987 là di tích Cồn Ràng (Phụ Ổ, Hương Chữ) nói lên rằng chủ nhân của nền văn hóa này đã đạt đến trình độ cao trong đời sống vật chất lẫn tinh thần cách đây trên dưới 2.500 năm. Dấu ấn này còn được tìm thấy ở Cửa Thiềng năm 1988 (Phú Ốc, Tứ Hạ). Cùng với văn hóa Sa Huỳnh, tại Thừa Thiên Huế còn có sự hiện diện của văn hóa Ðông Sơn.

Ðô thành Phú Xuân dưới thời Nguyễn Phúc Khoát đã được Lê Quý Ðôn mô tả trong "Phủ biên tạp lục" năm 1776 và trong Ðại Nam nhất thống chí, với tư cách là một đô thị phát triển thịnh vượng trải dài hai bờ châu thổ Sông Hương, từ Kim Long - Dương Xuân đến Bao Vinh - Thanh Hà.

Hương Trà trước có tên là Kim Trà. Năm 1446, thời vua Lê Thánh Tông và Nguyễn Hoàng, huyện Kim Trà thuộc phủ Triệu Phong, gồm 9 tổng:

• An Ninh, gồm 6 làng: An Ninh Thượng, An Ninh Hạ, La Chử, Long Hồ, Trúc Lâm, Phúc Long
• Phú Xuân, gồm 4 làng: Phú Xuân, Thế Lại Thượng, Thế Lại Hạ, Vạn Xuân
• Vĩnh Xương, gồm 10 làng: Vĩnh Xương, Hương Chiền, Vân Lô, Siêu Loại, Kế Môn, Trung Toàn, Đại Lộc, Chính Lộc, Đường Long, Hòa Viện
• Phù Trạch, gồm 12 làng: Phù Trạch, An Nông, Vĩnh An, Trạch Phố, Phúc Giang, Lương Mai, Ưu Điềm, Đạm Xuyên, Từ Chính, An Thị, Khách Hộ, Phú Xuân
• An Hòa, gồm 11 làng: An Hòa, An Khang, Diễn Phái, Xuân Dương, An Mỹ, An Quán, Quy Tôn, Thuận Hòa, Hải Trình, Phúc Trường, An Hoa Hạ
• Vỹ Dạ (hay Vĩ Dã), gồm 10 làng: Vỹ Dạ Thượng, Vỹ Dạ Hạ, An Cự, Dương Xuân, An Truyền, Trào Thủy, Mai Xuân, Thiên Lộc, Thạch Lại, Vân Quật (tức Vân Khốt)
• Kim Long, gồm 27 làng: Kim Long, Doanh Phố, Dương Phẩm, Xuân Ổ, Huy Du, Xuân Hòa, Trung Lãng, Bồn Chử, Hải Cát, Kim Ngọc, Định Môn, Cứ Hóa, Dương Lăng, Trung Xá, Thọ Khang, La Chử, Vĩ Dã Thượng, An Ninh, Thạch Hãn, Kim Long, Nam Phố, La Khê, An Bằng, Dương Phẩm, Tứ Chính, Tửu Phường, Nham Biều
• An Vân, gồm 9 làng: An Vân, Đốc Sơ, Thủy Tú, Khuê Chử, Liễu Cốc Thượng, Liễu Cốc Hạ, An Đô, Doanh Đàm, Phụ Ổ
• Kế Thực (hay Kế Mỹ), gồm 22 làng: Kế Thực, Bình Trị, Thái Dương Thượng, Thái Dương Hạ, Hòa Duân, Quảng Xuyên, Lương Viện, An Dương, Kế Đăng, Cự Lại, Ba Lăng, Viên Trình, Hoa Lộc, Hà Thanh, Mai Lộc, Đường Dã, Tân Xa, Hoa Dương, Hà Hồng, Hoa Diên, Khánh Mỹ, Diêm Tụ.

Phủ Chúa Nguyễn, thời Nguyễn Phúc Lan được dời từ Ái Tử về xã Kim Long, tổng Kim Long, huyện Hương Trà. Đến Chúa Nguyễn Phúc Thái lại dời đến xã Phú Xuân, tổng Phú Xuân, huyện Hương Trà.

Sau năm 1975, huyện Hương Trà thuộc tỉnh Bình Trị Thiên, có 13 xã: Hương Bằng, Hương Chữ, Hương Hải, Hương Hồ, Hương Long, Hương Phong, Hương Phú, Hương Sơ, Hương Thọ, Hương Toàn, Hương Văn, Hương Vinh, Hương Xuân.

Ngày 11 tháng 3 năm 1977, huyện Hương Trà hợp nhất với các huyện Phong Điền, Quảng Điền thành huyện Hương Điền.

Ngày 13 tháng 3 năm 1979, thành lập ở vùng kinh tế mới Bình Điền, Khe Điêng một xã mới lấy tên là xã Hương Bình.

Ngày 18 tháng 5 năm 1981, chuyển xã Hồng Tiến thuộc huyện A Lưới về huyện Hương Điền quản lý.

Ngày 11 tháng 9 năm 1981, các xã Hương Hải, Hương Phong, Hương Vinh, Hương Sơ (nay là 2 phường An Hòa và Hương Sơ), Hương Long, Hương Hồ, Hương Bình, Hương Thọ (trừ thôn Dương Hòa sáp nhập về huyện Hương Phú), một phần xã Hương Chữ (các thôn Thanh Chữ, Cổ Bưu, Bổn Trì, Bổn Phổ, An Lưu) được sáp nhập vào thành phố Huế.

Ngày 12 tháng 1 năm 1984, tách thôn Tân Lập và thôn Phú Ốc của xã Hương Phú để thành lập thị trấn Tứ Hạ; tách thôn Lại Thành của xã Hương Phú để nhập vào xã Hương Bằng thành một xã lấy tên là xã Hương Vân.

Tháng 9 năm 1990, Hội đồng Bộ trưởng quyết định chia lại huyện Hương Điền thành ba huyện Phong Điền, Quảng Điền, Hương Trà; đồng thời chuyển các xã: Hải Dương, Hương Phong, Hương Vinh, Hương An, Hương Hồ, Hương Bình, Hương Thọ thuộc thành phố Huế về huyện Hương Trà quản lý.

Huyện Hương Trà gồm thị trấn Tứ Hạ và 15 xã: Hương Bình, Hương Thọ, Hương Hồ, Hương Vân, Hương Văn, Hương Xuân, Hương Toàn, Hương Phong, Hương Vinh, Hương Chữ, Hương An, Bình Thành, Bình Điền, Hồng Tiến, Hải Dương, Hương Phú.

Ngày 11 tháng 8 năm 2010, Bộ Xây dựng ban hành Quyết định 775/QĐ-BXD về việc công nhận thị trấn Tứ Hạ mở rộng là đô thị loại IV.[1]

Ngày 15 tháng 11 năm 2011, Chính phủ ban hành Nghị quyết 99/NQ-CP chuyển huyện Hương Trà thành thị xã Hương Trà. Đồng thời, chuyển thị trấn Tứ Hạ và 6 xã: Hương An, Hương Chữ, Hương Hồ, Hương Văn, Hương Vân, Hương Xuân thành 7 phường có tên tương ứng[2].

Ngày 17 tháng 12 năm 2019, sáp nhập 2 xã Bình Điền và Hồng Tiến thành xã Bình Tiến.[3]

Thị xã Hương Trà có 7 phường và 8 xã như hiện nay.