Năm 1698, Thống suất Nguyễn Hữu Cảnh vâng lệnh chúa Nguyễn vào kinh lược phương Nam, đặt xứ Đồng Nai thành huyện Phước Long (thuộc dinh Trấn Biên) gồm bốn tổng: Phước Chánh, Bình An, Long Thành và Phước An.

Năm 1808, dinh Trấn Biên được đổi thành trấn Biên Hòa, huyện Phước Long nâng thành phủ Phước Long thì các tổng trên nâng thành huyện. Như vậy huyện Long Thành chính thức có năm 1808.

Năm 1837, tỉnh Biên Hòa đặt thêm phủ Phước Tuy, huyện Long Thành thuộc phủ Phước Tuy.

Năm 1865, ba tỉnh miền Đông Nam kì được chia làm 13 sở tham biện (inspections), tỉnh Biên Hòa có 5 sở tham biện: Biên Hòa, Bà Rịa, Thủ Dầu Một, Long Thành, Bảo Chánh.

Năm 1866, tỉnh Biên Hòa được chia làm 6 địa hạt (arrondissements): Biên Hòa, Bà Rịa, Long Thành, Thủ Đức, Bình An, Bảo Chánh.

Năm 1867, tỉnh Biên Hòa có 5 sở tham biện: Biên Hòa, Bà Rịa, Long Thành, Bình An, Nghĩa An (Như vậy Long Thành được coi như đơn vị lớn hơn cấp huyện, gần ngang cấp tỉnh ít nhất trong ba năm). Sau đó huyện Long Thành đổi thành quận, thuộc tỉnh Biên Hòa, gồm 3 tổng: Long Vĩnh Thượng, Thành Tuy Thượng, Thành Tuy Hạ.

Ngày 9 tháng 9 năm 1960, tách một phần đất quận Long Thành để lập quận Nhơn Trạch.

• Quận Long Thành gồm 8 xã: Tam Phước, Tam An, An Lợi, Phước Lộc, Thái Thiện, Long Phước, Long An, Lộc An; quận lị đặt tại xã Phước Lộc.
• Quận Nhơn Trạch gồm 12 xã: Phước Hội, Phước Thọ, Phước Long, Phước Lai, Phước Mĩ, Phước Thiền, Phú Thạnh, Đại Phước, Phú Hữu, Phước Khánh, Vinh Thạnh, Long Tân; quận lị đặt tại xã Phú Thạnh.

Về phía chính quyền cách mạng, năm 1951, cắt huyện Long Thành về tỉnh Bà Rịa - Chợ Lớn, sau năm 1954 lại đưa về tỉnh Biên Hòa như cũ.

Từ tháng 10 năm 1967 đến tháng 4 năm 1971 lập ra phân khu 4, huyện Long Thành chuyển sang thuộc phân khu 4.

Đến tháng 5 năm 1971, huyện Long Thành chuyển thuộc phân khu Bà Rịa - Long Khánh cho đến tháng 10 năm 1972. Sau đó lại về tỉnh Biên Hòa như cũ.

Cuối năm 1973, chính phủ Việt Nam Cộng hòa bắt đầu cho chuyển một số cơ sở của Trường Bộ binh Thủ Đức đến căn cứ huấn luyện mới ở Long Thành. Long Thành biến thành một căn cứ quân sự lớn trong lúc chiến tranh Việt Nam ngày càng ác liệt. Công việc di chuyển Trường đến năm 1974 thì hoàn tất[2] nhưng được hơn một năm thì Việt Nam Cộng hòa sụp đổ và trường bị giải thể.

Năm 1975, huyện Long Thành có 21 xã với diện tích là 911 km², dân số 170.000 người. Tháng 1 năm 1976, hai huyện Long Thành và Nhơn Trạch sáp nhập lại thành một huyện lấy tên là huyện Long Thành. Huyện Long Thành mới có thị trấn Long Thành (xã Phước Lộc cũ) và 30 xã: An Hòa, An Lợi, Bàu Cạn, Bình Sơn, Cẩm Đường, Đại Phước, Lộc An, Long An, Long Hưng, Long Phước, Long Tân, Phú Hội, Phú Hữu, Phú Thạnh, Phước An, Phước Khánh, Phước Kiểng, Phước Lai, Phước Long, Phước Nguyên, Phước Tân, Phước Thái, Phước Thiền, Phước Thọ, Siph, Suối Trầu, Tam An, Tam Phước, Tân Hiệp, Vĩnh Thanh, số dân trên 200.000 người.

Ngày 1 tháng 3 năm 1980, đổi tên xã Siph thành xã Long Đức.

Ngày 17 tháng 1 năm 1984, hợp nhất 2 xã An Lợi và Phước Nguyên thành xã An Phước; hợp nhất 2 xã Phước Lai và Phước Kiểng thành xã Hiệp Phước, hợp nhất 2 xã Phước Long và Phước Thọ thành xã Long Thọ.

Ngày 12 tháng 2 năm 1987, hợp nhất 2 xã An Hòa và Long Hưng thành xã Hòa Hưng.

Cuối năm 1993, huyện Long Thành có thị trấn Long Thành và 26 xã: An Nguyên, Bàu Cạn, Bình Sơn, Cẩm Đường, Đại Phước, Hiệp Phước, Hòa Hưng, Lộc An, Long An, Long Đức, Long Phước, Long Tân, Long Thọ, Phú Hội, Phú Hữu, Phú Thạnh, Phước An, Phước Khánh, Phước Tân, Phước Thái, Phước Thiền, Suối Trầu, Tam An, Tam Phước, Tân Hiệp, Vĩnh Thanh.

Ngày 23 tháng 6 năm 1994, Chính phủ Việt Nam ban hành Nghị định số 51/1994/NĐ-CP chia huyện Long Thành thành 2 huyện Long Thành và Nhơn Trạch[3]. Sau khi chia tách, huyện Long Thành còn lại thị trấn Long Thành và 15 xã: An Phước, Bàu Cạn, Bình Sơn, Cẩm Đường, Hòa Hưng, Lộc An, Long An, Long Đức, Long Phước, Phước Tân, Phước Thái, Suối Trầu, Tam An, Tam Phước, Tân Hiệp.

Ngày 29 tháng 8 năm 1994, chia xã Bình Sơn thành 2 xã: Bình An và Bình Sơn; chia xã Phước Thái thành 2 xã: Phước Bình và Phước Thái; chia lại xã Hòa Hưng thành 2 xã cũ: An Hòa và Long Hưng. Lúc này huyện có 1 thị trấn và 18 xã.

Ngày 5 tháng 2 năm 2010, Chính phủ ban hành Nghị quyết số 05/NQ-CP về việc điều chỉnh địa giới hành chính huyện Long Thành để mở rộng thành phố Biên Hòa[4]. Theo đó, chuyển 4 xã: An Hòa, Long Hưng, Phước Tân, Tam Phước thuộc huyện Long Thành về thành phố Biên Hoà quản lý. Huyện còn lại thị trấn Long Thành và 14 xã: An Phước, Bàu Cạn, Bình An, Bình Sơn, Cẩm Đường, Lộc An, Long An, Long Đức, Long Phước, Phước Bình, Phước Thái, Suối Trầu, Tam An, Tân Hiệp.

Ngày 25 tháng 4 năm 2019, Ủy ban Thường vụ Quốc hội ban hành Nghị quyết 673/NQ-UBTVQH14 về việc điều chỉnh địa giới hành chính các xã: Bình Sơn, Cẩm Đường, Long An, Long Phước, Bàu Cạn và giải thể xã Suối Trầu để thực hiện dự án thu hồi đất, bồi thường, hỗ trợ, tái định cư dự án Cảng hàng không quốc tế Long Thành[5]. Theo đó:

• Điều chỉnh 1,58 km² diện tích tự nhiên và 229 người của xã Bàu Cạn về xã Bình Sơn.
• Điều chỉnh 1,12 km² diện tích tự nhiên và 290 người của xã Bình Sơn về xã Cẩm Đường.
• Điều chỉnh 5,08 km² diện tích tự nhiên và 2.790 người của xã Cẩm Đường về xã Bình Sơn.
• Điều chỉnh 6,6 km² diện tích tự nhiên và 700 người của xã Long An về xã Bình Sơn.
• Điều chỉnh 3,17 km² diện tích tự nhiên và 1.125 người của xã Long Phước về xã Bình Sơn.
• Điều chỉnh 13,59 km² diện tích tự nhiên và 5.816 người của xã Suối Trầu về xã Bình Sơn.
• Điều chỉnh 1,26 km² diện tích tự nhiên còn lại và 700 người của xã Suối Trầu về xã Bàu Cạn.
• Giải thể xã Suối Trầu.

Sau khi điều chỉnh, xã Bàu Cạn có 44,46 km² diện tích tự nhiên và 17.191 người, xã Bình Sơn có 74,21 km² diện tích tự nhiên và 23.427 người, xã Cẩm Đường có 15,31 km² diện tích tự nhiên và 8.122 người, xã Long An có 27,39 km² diện tích tự nhiên và 16.905 người, xã Long Phước có 37,44 km² diện tích tự nhiên và 17.728 người. Huyện Long Thành có 1 thị trấn và 13 xã như hiện nay.

Ngày 11 tháng 5 năm 2019, Bộ xây dựng ra quyết định công nhận thị trấn Long Thành là đô thị loại IV.[6][7]

Theo quy hoạch chung đô thị Đồng Nai đến năm 2030 và tầm nhìn đến năm 2050, toàn bộ huyện Long Thành sẽ được nâng cấp lên thành thị xã Long Thành, gồm 6 phường: An Phước, Long An, Long Phước, Phước Lộc, Phước Thái, Tam An và 8 xã: Bàu Cạn, Bình An, Bình Sơn, Cầm Đường, Lộc An, Long Đức, Phước Bình, Tân Hiệp.