Thời thuộc Hán, huyện Nga Sơn thuộc vùng đông bắc của huyện Dư Phát. Trong cuộc khởi nghĩa Hai Bà Trưng, Nga Sơn chính là nơi dựng cờ khởi nghĩa của Lê Thị Hoa, người sau đó trở thành nữ tướng của Hai Bà, và được nhân dân lập đền thờ tại đây. Ðến thời Tam Quốc, Lưỡng Tấn, Nam Bắc - Triều thuộc huyện Kiến Sơ. Bước sang thời Tùy, Nga Sơn là vùng đất thuộc huyện Long An, đời Đường thuộc huyện Sùng Bình.

Trong các triều Đinh, Lê, Lý, địa giới hành chính được giữ nguyên như thời Ðường. Ðến thời Trần - Hồ bắt đầu lập huyện Chi Nga thuộc châu Ái. Thời Hậu Lê đổi tên huyện Chi Nga thành huyện Nga Giang thuộc phủ Hà Trung. Bước sang thời Nguyễn, đổi tên thành huyện Nga Sơn.

Sau Cách mạng tháng Tám năm 1945, vẫn giữ nguyên là huyện Nga Sơn. Năm 1977, huyện Nga Sơn hợp nhất với huyện Hà Trung thành huyện Trung Sơn. Năm 1982, Trung Sơn lại tách ra thành hai huyện và lấy lại tên cũ là Hà Trung và Nga Sơn.

Tên gọi và địa giới hành chính huyện Nga Sơn được giữ nguyên cho đến ngày nay với huyện lỵ là thị trấn Nga Sơn. Huyện Nga Sơn khi đó gồm 24 xã: Ba Đình, Nga An, Nga Bạch, Nga Điền, Nga Giáp, Nga Hải, Nga Hưng, Nga Liên, Nga Lĩnh, Nga Mỹ, Nga Nhân, Nga Phú, Nga Thạch, Nga Thái, Nga Thắng, Nga Thanh, Nga Thành, Nga Thiện, Nga Thủy, Nga Trung, Nga Trường, Nga Văn, Nga Vịnh, Nga Yên.

Ngày 17 tháng 3 năm 1966, thành lập 2 xã Nga Tiến và Nga Tân thuộc vùng kinh tế mới ven biển.

Ngày 23 tháng 12 năm 1988, thành lập thị trấn Nga Sơn, thị trấn huyện lị huyện Nga Sơn trên cơ sở một phần diện tích và dân số của các xã Nga Mỹ và Nga Yên.

Ngày 16 tháng 10 năm 2019, Ủy ban Thường vụ Quốc hội thông qua Nghị quyết số 786/NQ-UBTVQH14 về việc sắp xếp các đơn vị hành chính cấp xã thuộc tỉnh Thanh Hóa. Theo đó, sáp nhập các xã Nga Mỹ và Nga Hưng vào thị trấn Nga Sơn; sáp nhập các xã Nga Lĩnh và Nga Nhân thành xã Nga Phượng.[1]

Huyện Nga Sơn có 1 thị trấn và 23 xã như hiện nay.