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.

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).

Năm 1999, lại tách ra thành hai huyện như cũ.

Ngày 28 tháng 5 năm 1997, chuyển xã Cao Mại thành thị trấn Lâm Thao, thị trấn huyện lị huyện Lâm Thao.

Ngày 1 tháng 4 năm 2003, xã Hà Thạch được sáp nhập vào thị xã Phú Thọ.

Ngày 1 tháng 11 năm 2004, thành lập thị trấn Hùng Sơn trên cơ sở 117,40 ha diện tích tự nhiên và 3.532 nhân khẩu của xã Hy Cương, 200,20 ha diện tích tự nhiên và 2.754 nhân khẩu của xã Tiên Kiên, 152,40 ha diện tích tự nhiên và 3.158 nhân khẩu của xã Chu Hóa.

Ngày 10 tháng 11 năm 2006, 3 xã: Hy Cương, Chu Hóa và Thanh Đình được chuyển về thành phố Việt Trì.

Ngày 17 tháng 12 năm 2019, sáp nhập 3 xã Hợp Hải, Kinh Kệ, Sơn Dương thành xã Phùng Nguyên.[1]

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