Trước năm 2002, địa bàn thành phố Lai Châu hiện nay tương ứng với thị trấn Phong Thổ và 3 xã: Nậm Loỏng, Sùng Phài, Tam Đường thuộc huyện Phong Thổ.

Ngày 14 tháng 1 năm 2002, Chính phủ ban hành Nghị định số 08/2002/NĐ-CP chia huyện Phong Thổ thành hai huyện Phong Thổ và Tam Đường[6]. Theo đó, thị trấn Phong Thổ và 3 xã: Nậm Loỏng, Sùng Phài, Tam Đường chuyển sang trực thuộc huyện Tam Đường.

Ngày 26 tháng 11 năm 2003, Quốc hội thông qua Nghị quyết số 22/2003/QH11 chia tỉnh Lai Châu cũ thành hai tỉnh Lai Châu và Điện Biên[7], huyện Tam Đường thuộc tỉnh Lai Châu mới. Đồng thời, tỉnh lỵ tỉnh Lai Châu đặt tại thị trấn Phong Thổ thuộc huyện Tam Đường.

Ngày 10 tháng 10 năm 2004, Chính phủ ban hành Nghị định 176/2004/NĐ-CP[1]. Theo đó:

• Thành lập thị xã Lai Châu, thị xã tỉnh lỵ tỉnh Lai Châu trên cơ sở toàn bộ diện tích và dân số của thị trấn Phong Thổ và 2 xã: Nậm Loỏng, Tam Đường; 550 ha diện tích tự nhiên và 1.167 người của xã Sùng Phài thuộc huyện Tam Đường.
• Thành lập phường Quyết Thắng trên cơ sở 383,30 ha diện tích tự nhiên và 3.969 người của thị trấn Phong Thổ, 225 ha diện tích tự nhiên và 1.096 người của xã Nậm Loỏng.
• Thành lập phường Tân Phong trên cơ sở 523 ha diện tích tự nhiên và 4.094 người của thị trấn Phong Thổ, 298 người của xã Nậm Loỏng.
• Thành lập phường Đoàn Kết trên cơ sở 227,70 ha diện tích tự nhiên và 3.486 người của thị trấn Phong Thổ, 175,30 ha diện tích tự nhiên và 141 người của xã Sùng Phài.
• Điều chỉnh 374,70 ha diện tích tự nhiên và 1.026 người của xã Sùng Phài về xã Nậm Loỏng quản lý.
• Đổi tên xã Tam Đường thành xã San Thàng.

Sau khi thành lập, thị xã Lai Châu có 7.083 ha diện tích tự nhiên và 18.089 người với 5 đơn vị hành chính trực thuộc, gồm 3 phường: Đoàn Kết, Quyết Thắng, Tân Phong và 2 xã: Nậm Loỏng, San Thàng.

Lúc này, thị xã Lai Châu cũ (trừ phường Lê Lợi) thuộc địa giới hành chính tỉnh Điện Biên và được đổi tên thành thị xã Mường Lay vào năm 2005.

Ngày 2 tháng 12 năm 2012, Chính phủ ban hành Nghị quyết 71/NQ-CP[8]. Theo đó:

• Thành lập phường Đông Phong trên cơ sở 171,26 ha diện tích tự nhiên và 10.211 người của phường Tân Phong; 356,09 ha diện tích tự nhiên và 753 người của xã San Thàng.
• Thành lập phường Quyết Tiến trên cơ sở 308,66 ha diện tích tự nhiên và 6.834 người của phường Quyết Thắng.

Thị xã Lai Châu có 5 phường và 2 xã trực thuộc.

Ngày 1 tháng 2 năm 2013, thị xã Lai Châu được công nhận là đô thị loại III.[3]

Ngày 27 tháng 12 năm 2013, Chính phủ ban hành Nghị quyết số 131/NQ-CP thành lập thành phố Lai Châu trên cơ sở toàn bộ diện tích và dân số của thị xã Lai Châu.[2]

Ngày 10 tháng 1 năm 2020, Ủy ban Thường vụ Quốc hội ban hành Nghị quyết số 866/NQ-UBTVQH14.[4] Theo đó:

• Chuyển xã Sùng Phài thuộc huyện Tam Đường về thành phố Lai Châu quản lý
• Sáp nhập toàn bộ diện tích và dân số của xã Nậm Loỏng vào xã Sùng Phài.

Sau khi điều chỉnh, thành phố Lai Châu có diện tích 92,37 km², dân số là 42.973 người với 7 đơn vị hành chính trực thuộc, gồm 5 phường và 2 xã.