Địa bàn xã Lưu Vĩnh Sơn trước đây vốn là ba xã: Thạch Lưu, Thạch Vĩnh, Bắc Sơn.

Xã Bắc Sơn được thành lập vào ngày 19 tháng 11 năm 1985 trên cơ sở điều chỉnh 159 ha diện tích tự nhiên của xã Thạch Vĩnh và 2.201 ha diện tích tự nhiên của xã Thạch Lưu.[3]

Trước khi sáp nhập, xã Thạch Lưu có diện tích 6,64 km², dân số là 3.492 người, mật độ dân số đạt 526 người/km². Xã Thạch Vĩnh có diện tích 11,77 km², dân số là 6.092 người, mật độ dân số đạt 518 người/km². Xã Bắc Sơn có diện tích 22,59 km², dân số là 3.176 người, mật độ dân số đạt 141 người/km², có 7 thôn: Phú Sơn, Tây Sơn, Kim Sơn, Đồng Vĩnh, Trung Sơn, Tân Sơn, Xuân Sơn.

Ngày 21 tháng 11 năm 2019, Ủy ban Thường vụ Quốc hội ban hành Nghị quyết số 819/NQ-UBTVQH14 về việc sắp xếp các đơn vị hành chính cấp xã thuộc tỉnh Hà Tĩnh (nghị quyết có hiệu lực từ ngày 1 tháng 1 năm 2020)[1]. Theo đó, sáp nhập toàn bộ diện tích và dân số của ba xã Thạch Lưu, Thạch Vĩnh và Bắc Sơn thành xã Lưu Vĩnh Sơn.