Trước đây, phủ Lâm Thao, gồm các huyện: Hạ Hoa (nay là Hạ Hòa), Hoa Khê (nay là Cẩm Khê), Sơn Vi (nay là huyện Lâm Thao), Thanh Ba, vốn thuộc tỉnh Sơn Tây.

Ngày 8 tháng 9 năm 1891, ba huyện Sơn Vi, Thanh Ba, Phù Ninh thuộc phủ Lâm Thao, tỉnh Sơn Tây được nhập vào tỉnh Hưng Hóa.

Ngày 5 tháng 6 năm 1893, huyện Hạ Hòa thuộc phủ Lâm Thao, tỉnh Sơn Tây được nhập vào tỉnh Hưng Hóa.

Năm 1903, tỉnh Hưng Hóa được đổi tên thành tỉnh Phú Thọ.

Ngày 6 tháng 5 năm 1963, sáp nhập hai xã Nhuận Chi và Tiên Phú thuộc huyện Lâm Thao vào huyện Phù Ninh; sáp nhập xã Khải Xuân thuộc huyện Lâm Thao vào huyện Thanh Ba.[2]

Ngày 4 tháng 2 năm 1967, sáp nhập hai xã Văn Lung, Hà Lộc thuộc huyện Lâm Thao vào thị xã Phú Thọ.[3]

Ngày 26 tháng 1 năm 1968, tỉnh Phú Thọ hợp nhất với tỉnh Vĩnh Phúc thành tỉnh Vĩnh Phú, huyện Lâm Thao thuộc tỉnh Vĩnh Phú.

Sau năm 1975, huyện Lâm Thao có 18 xã: Bản Nguyên, Cao Mại, Cao Xá, Chu Hóa, Hà Thạch, Hợp Hải, Hy Cương, Kinh Kệ, Sơn Dương, Sơn Vi, Thạch Sơn, Thanh Đình, Thụy Vân, Tiên Kiên, Tứ Xã, Vĩnh Lại, Xuân Huy, Xuân Lũng.

Theo Quyết định số 178-CP ngày 5 tháng 7 năm 1977 của Hội đồng Chính phủ, huyện Lâm Thao sáp nhập với huyện Phù Ninh thành huyện Phong Châu (trừ xã Thụy Vân được sáp nhập về thành phố Việt Trì).[4]

Ngày 6 tháng 11 năm 1996, huyện Phong Châu thuộc tỉnh Phú Thọ vừa được tái lập.[5]

Ngày 28 tháng 5 năm 1997, thành lập thị trấn Lâm Thao trên cơ sở toàn bộ diện tích và dân số của xã Cao Mại, một phần diện tích và dân số của xã Chu Hóa.[6]

Ngày 24 tháng 7 năm 1999, Chính phủ ban hành Nghị định số 59/1999/NĐ-CP[7]. Theo đó, chia lại huyện Phong Châu thành hai huyện Lâm Thao và Phù Ninh.

Huyện Lâm Thao có thị trấn Lâm Thao (huyện lỵ) và 16 xã: Bản Nguyên, Cao Xá, Chu Hóa, Hà Thạch, Hợp Hải, Hy Cương, Kinh Kệ, Sơn Dương, Sơn Vi, Thạch Sơn, Thanh Đình, Tiên Kiên, Tứ Xã, Vĩnh Lại, Xuân Lũng, Xuân Huy.

Ngày 1 tháng 4 năm 2003, chuyển xã Hà Thạch về thị xã Phú Thọ quản lý.[8]

Ngày 1 tháng 11 năm 2004, thành lập thị trấn Hùng Sơn trên cơ sở điều chỉnh một phần diện tích và dân số của các xã Hy Cương, Tiên Kiên và Chu Hóa.[9]

Ngày 10 tháng 11 năm 2006, chuyển 3 xã Hy Cương, Chu Hóa và Thanh Đình về thành phố Việt Trì quản lý.[10]

Ngày 17 tháng 12 năm 2019, sáp nhập 3 xã Hợp Hải, Kinh Kệ, Sơn Dương thành xã Phùng Nguyên.[11]

Huyện Lâm Thao có 2 thị trấn và 10 xã như hiện nay.