Thời Nhà Hậu Lê, Kỳ Anh là miền đất phía nam của huyện Kỳ Hoa (gồm huyện Cẩm Xuyên và Kỳ Anh hiện nay) thuộc phủ Hà Hoa, xứ Nghệ An.

Năm 1836, vua Minh Mạng Nhà Nguyễn chia huyện Kỳ Hoa lập thành hai huyện: Kỳ Anh và Cẩm Xuyên thuộc tỉnh Hà Tĩnh.

Sau năm 1945, bỏ cấp phủ, gọi chung là huyện. Huyện Kỳ Anh gồm có 15 xã: Cấp Hà, Cấp Tân, Cấp Thăng, Kỳ Lợi, Kỳ Long, Kỳ Nam, Kỳ Phương, Kỳ Thịnh, Kỳ Thư, Kỳ Trinh, Lĩnh Nam, Thành Kỳ, Trung Châu, Trung Hải, Vọng Sơn.

Năm 1954, chia xã Kỳ Nam thành 3 xã: Kỳ Bắc, Kỳ Phong, Kỳ Tiến; chia xã Vọng Sơn thành 4 xã: Kỳ Lạc, Kỳ Lâm, Kỳ Sơn, Kỳ Thượng; chia xã Cấp Hà thành 3 xã: Kỳ Tân, Kỳ Tây, Kỳ Văn; chia xã Lĩnh Nam thành 2 xã: Kỳ Ninh và Kỳ Thọ; chia xã Thành Kỳ thành 2 xã: Kỳ Khang và Kỳ Phú; chia xã Trung Châu thành 2 xã: Kỳ Châu và Kỳ Hoa; đổi tên xã Trung Hải thành xã Kỳ Hải; đổi tên xã Cấp Tân thành xã Kỳ Giang; đổi tên xã Cấp Thắng thành xã Kỳ Xuân.

Năm 1961, cắt làng Ngưu Sơn (Minh Đức) từ xã Kỳ Phương, thành lập xã mới lấy tên là xã Kỳ Nam.

Ngày 1 tháng 10 năm 1965, Bộ Nội vụ ban hành Quyết định số 356-NV thành lập xã Kỳ Hương trên cơ sở phần diện tích khai hoang thuộc xã Kỳ Phong cùng một phần diện tích và dân số của xã Kỳ Tây.[4]

Ngày 23 tháng 2 năm 1977, hai xã Kỳ Lâm và Kỳ Sơn được hợp nhất thành xã Vọng Sơn, sáp nhập xóm Tân Bình của xã Kỳ Giang vào xã Kỳ Phú, chia xã Kỳ Hải thành hai xã Kỳ Hà và Kỳ Hải.[5]

Ngày 8 tháng 10 năm 1980, xã Vọng Sơn lại tách ra thành hai xã như cũ.

Ngày 8 tháng 9 năm 1986, thành lập thị trấn Kỳ Anh (thị trấn huyện lỵ huyện Kỳ Anh) trên cơ sở 3 ha diện tích tự nhiên với 119 nhân khẩu của xã Kỳ Tân, 15 ha diện tích tự nhiên với 210 nhân khẩu của xã Kỳ Trinh, 17 ha diện tích tự nhiên với 102 nhân khẩu của xã Kỳ Hoa, 83 ha diện tích tự nhiên với 1.528 nhân khẩu của xã Kỳ Châu và 249 ha diện tích tự nhiên với 2.236 nhân khẩu của xã Kỳ Hưng; thành lập xã Kỳ Hợp trên cơ sở 230 ha diện tích tự nhiên với 308 nhân khẩu của xã Kỳ Tân, 1.566 ha diện tích tự nhiên với 580 nhân khẩu của xã Kỳ Lâm và 1.379 ha diện tích tự nhiên với 399 nhân khẩu của xã Kỳ Tây; thành lập xã Kỳ Đồng trên cơ sở 100 ha diện tích tự nhiên với 833 nhân khẩu của xã Kỳ Khang, 476 ha diện tích tự nhiên với 1.860 nhân khẩu của xã Kỳ Phú và 120 ha diện tích tự nhiên với 705 nhân khẩu của xã Kỳ Giang; thành lập xã Kỳ Liên trên cơ sở 1.600 ha diện tích tự nhiên với 1.340 nhân khẩu của xã Kỳ Long và 150 ha diện tích tự nhiên với 383 nhân khẩu của xã Kỳ Phương.

Ngày 2 tháng 1 năm 2004, thành lập xã Kỳ Trung trên cơ sở 1.186,20 ha diện tích tự nhiên và 2.095 nhân khẩu của xã Kỳ Văn, 969,70 ha diện tích tự nhiên và 312 nhân khẩu của xã Kỳ Giang, 334,10 ha diện tích tự nhiên của xã Kỳ Tây, 137 ha diện tích tự nhiên của xã Kỳ Tiến và 757,70 ha diện tích tự nhiên của xã Kỳ Phong.

Cuối năm 2014, huyện Kỳ Anh có 33 đơn vị hành chính gồm thị trấn Kỳ Anh và 32 xã: Kỳ Bắc, Kỳ Châu, Kỳ Đồng, Kỳ Giang, Kỳ Hà, Kỳ Hải, Kỳ Hoa, Kỳ Hợp, Kỳ Hưng, Kỳ Khang, Kỳ Lạc, Kỳ Lâm, Kỳ Liên, Kỳ Lợi, Kỳ Long, Kỳ Nam, Kỳ Ninh, Kỳ Phong, Kỳ Phú, Kỳ Phương, Kỳ Sơn, Kỳ Tân, Kỳ Tây, Kỳ Thịnh, Kỳ Thọ, Kỳ Thư, Kỳ Thượng, Kỳ Tiến, Kỳ Trinh, Kỳ Trung, Kỳ Văn, Kỳ Xuân.

Ngày 6 tháng 4 năm 2015, toàn bộ diện tích tự nhiên và dân số của thị trấn Kỳ Anh và 11 xã: Kỳ Hà, Kỳ Ninh, Kỳ Lợi, Kỳ Trinh, Kỳ Thịnh, Kỳ Long, Kỳ Liên, Kỳ Phương, Kỳ Nam, Kỳ Hưng, Kỳ Hoa được tách ra để thành lập thị xã Kỳ Anh

Ngày 29 tháng 11 năm 2019, sáp nhập 2 xã Kỳ Lâm và Kỳ Hợp thành xã Lâm Hợp.