Thời Hùng Vương, nước Văn Lang được chia làm 15 bộ thì Mường Chà thuộc bộ Tân Hưng; thời Lý thuộc châu Tây; thời Trần thuộc châu Ninh Viễn, lộ Đà Giang; thời Lê thuộc trấn Gia Hưng.[6]

Năm 1463, trấn Hưng Hóa được thành lập gồm 3 phủ: Gia Hưng, Quy Hóa, An Tây. Phủ An Tây có 10 châu, Mường Chà lúc đó thuộc châu Lai của phủ An Tây.[6]

Năm 1841, nhà Nguyễn lấy đất các châu Ninh Biên, Tuần Giáo và châu Lai để thành lập phủ Điện Biên. châu Lai (bao gồm Mường Chà) thuộc phủ Điện Biên.[6]

Năm 1890, Châu Lai bị Pháp chiếm đóng.

Năm 1909, Toàn quyền Đông Dương là Antony Klobukowski ra nghị định tách các châu Quỳnh Nhai, Điện Biên, Tuần Giáo, châu Lai và Luân Châu để thành lập tỉnh Lai Châu (cũ).

Ngày 25 tháng 1 năm 1954, Ban cán sự Đảng tỉnh Lai Châu (cũ) quyết định tách Ban cán sự Đảng liên huyện Tuần – Lai thành Ban cán sự Đảng huyện Tuần Giáo và Ban chi ủy huyện Mường Lay. Từ đây huyện châu Lai được đổi tên là huyện Mường Lay.[8]

Sau năm 1954, huyện Mường Lay có thị trấn Lai Châu và 14 xã: Chà Cang, Chà Nưa, Chà Tở, Chăn Nưa, Huổi Lèng, Hừa Ngài, Lay Cang, Lay Nưa, Lay Tở, Mường Tùng, Nậm Hàng, Pa Ham, Pú Đao, Xá Tổng.

Ngày 8 tháng 10 năm 1971, tách thị trấn Lai Châu và 2 xã Lay Cang, Lay Tở để thành lập thị xã Lai Châu (cũ).[6]

Ngày 23 tháng 2 năm 1977, thành lập thị trấn Mường Lay (cũ).[9]

Ngày 28 tháng 4 năm 1997, Chính phủ ban hành Nghị định số 40-CP.[10] Theo đó:

• Giải thể thị trấn Mường Lay thuộc huyện Mường Lay, sáp nhập 879 người và toàn bộ 827,5 ha diện tích tự nhiên và của thị trấn Mường Lay vào xã Lay Nưa
• Chuyển xã Mường Mươn thuộc huyện Điện Biên về huyện Mường Lay quản lý
• Thành lập thị trấn Mường Lay, thị trấn huyện lỵ mới của huyện Mường Lay trên cơ sở toàn bộ 1.026 ha diện tích tự nhiên và 584 người của bản Na Pheo, xã Mường Mươn và 1.433 người còn lại của thị trấn Mường Lay cũ.

Ngày 26 tháng 5 năm 1997, thành lập xã Si Pa Phìn trên cơ sở 27.098 ha diện tích tự nhiên và 4.789 người của xã Chà Nưa.[11]

Ngày 18 tháng 8 năm 2000, thành lập xã Nà Hỳ trên cơ sở 4.428,4 ha diện tích tự nhiên và 10.441 nhân khẩu của xã Chà Cang.

Ngày 14 tháng 1 năm 2002, chuyển 2 xã Chà Cang và Nà Hỳ sang huyện Mường Nhé.[6]

Từ đó, huyện Mường Lay có thị trấn Mường Lay và 12 xã: Chà Nưa, Chà Tở, Chăn Nưa, Huổi Lèng, Hừa Ngài, Lay Nưa, Mường Mươn, Mường Tùng, Nậm Hàng, Pa Ham, Pú Đao, Xá Tổng.

Ngày 26 tháng 11 năm 2003, tỉnh Lai Châu được tách thành 2 tỉnh là Lai Châu và Điện Biên, phần lớn huyện Mường Lay thuộc tỉnh Điện Biên.[12] Riêng các xã Pú Đao, Chăn Nưa, Nậm Hàng và bản Thành Chử của xã Xá Tổng thuộc tỉnh Lai Châu mới.

Ngày 2 tháng 1 năm 2004, tách 2 xã Pú Đao, Chăn Nưa và bản Thành Chử của xã Xá Tổng được sáp nhập vào huyện Sìn Hồ (trong đó bản Thành Chử sáp nhập vào xã Tủa Sín Chải), xã Nậm Hàng được sáp nhập vào huyện Mường Tè (nay là các xã, thị trấn phía nam thuộc các huyện Sìn Hồ, Nậm Nhùn).

Ngày 2 tháng 3 năm 2005, xã Lay Nưa được chuyển về thị xã Lai Châu cũ quản lý và thị xã Lai Châu cũ được đổi tên thành thị xã Mường Lay; huyện Mường Lay được đổi tên thành huyện Mường Chà và thị trấn Mường Lay được đổi tên thành thị trấn Mường Chà[13].

Ngày 14 tháng 11 năm 2006, thành lập 5 xã Na Sang, Sa Lông, Ma Thì Hồ, Phìn Hồ và Nậm Khăn.[14]

Ngày 25 tháng 8 năm 2012, thành lập 2 xã Huổi Mí và Nậm Nèn. Đồng thời tách 5 xã Chà Tở, Nậm Khăn, Chà Nưa, Si Pa Phìn, Phìn Hồ ra để thành lập huyện Nậm Pồ.[15]