Thị xã Nghi Sơn trước đây vốn là huyện Tĩnh Gia thuộc tỉnh Thanh Hóa.

Vào thời Hùng Vương, Tĩnh Gia thuộc bộ Cửu Chân, một trong 5 bộ của nước Văn Lang. Thời kỳ văn hóa Đông Sơn (cách ngày nay hơn 2000 năm), các nhà khảo cổ đã tìm thấy ở núi Chè (xã Mai Lâm) các công cụ bằng đồng của người Việt cổ. Thời An Dương Vương, thuộc đất Âu Lạc của Thục Phán An Dương Vương.

Thời thuộc Hán, Tĩnh Gia thuộc huyện Cư Phong của quận Cửu Chân. Năm Quang Thuận thứ 10 (1469), vua Lê Thánh Tông đặt tên là huyện Ngọc Sơn do phủ Tinh Ninh kiêm lý.

Đến Thời Nguyễn, đầu thế kỷ XIX (khoảng giữa đời Gia Long), huyện Ngọc Sơn bao gồm 4 tổng là: Văn Trinh, Văn Trường, Liên Trì và Duyên La gồm 220 xã, thôn, trang, phường, tộc, giáp. Năm Minh Mạng thứ 12 (1831), huyện Ngọc Sơn bao gồm 4 tổng nói trên và thêm 2 tổng mới do tách từ Văn Trường và Văn Trinh thành 6 tổng gồm 245 xã, thôn, phường, giáp. Năm 1838, vua Minh Mạng tiến hành cải cách hành chính, một số huyện ở Thanh Hóa có sự tách nhập, thay đổi tên gọi. Các huyện Ngọc Sơn, Nông Cống, Quảng Xương gộp thành phủ Tĩnh Gia. Đến trước Cách mạng tháng Tám, tổng Văn Trinh được nhập về Quảng Xương, phủ Tĩnh Gia còn 5 tổng là Văn Trường, Yên Thái, Sen Trì, Văn Trai và Tuần La bao gồm 206 làng, thôn.

Sau Cách mạng tháng Tám, bãi bỏ cấp phủ, phần đất cũ của huyện Ngọc Sơn trở thành huyện Tĩnh Gia, gồm 35 xã: Anh Sơn, Bình Minh, Các Sơn, Định Hải, Hải An, Hải Bình, Hải Châu, Hải Hòa, Hải Lĩnh, Hải Nhân, Hải Ninh, Hải Thanh, Hải Thượng, Hải Yến, Hùng Sơn, Mai Lâm, Ngọc Lĩnh, Nguyên Bình, Ninh Hải, Tân Dân, Thanh Thủy, Thanh Sơn, Tĩnh Hải, Triều Dương, Trúc Lâm, Trường Giang, Trường Lâm, Trường Minh, Trường Sơn, Trường Trung, Tùng Lâm, Tượng Lĩnh, Tượng Sơn, Tượng Văn, Xuân Lâm.

Ngày 16 tháng 12 năm 1964, chuyển 7 xã: Trường Minh, Trường Trung, Trường Giang, Trường Sơn, Tượng Văn, Tượng Lĩnh, Tượng Sơn về huyện Nông Cống quản lý (do tách 20 xã của huyện Nông Cống để hợp với 13 xã của huyện Thọ Xuân thành lập huyện Triệu Sơn).[3]

Ngày 15 tháng 3 năm 1965, thành lập xã Tân Trường.

Ngày 15 tháng 3 năm 1973, thành lập xã Phú Lâm.

Ngày 29 tháng 8 năm 1980, chuyển xã Phú Sơn thuộc huyện Như Xuân (tách ra từ xã Thanh Kỳ) về huyện Tĩnh Gia quản lý.[4]

Ngày 14 tháng 12 năm 1984, chia xã Hải Thượng thành 3 xã Hải Thượng, Hải Hà, Nghi Sơn và thành lập thị trấn Tĩnh Gia - thị trấn huyện lỵ của huyện Tĩnh Gia từ một phần các xã Bình Minh, Hải Hòa, Hải Nhân và Nguyên Bình.[5]

Ngày 7 tháng 12 năm 2016, Bộ Xây dựng ban hành Quyết định số 1300/QĐ-BXD về việc công nhận thị trấn Tĩnh Gia mở rộng đạt chuẩn đô thị loại III.

Ngày 23 tháng 9 năm 2019, Bộ Xây dựng ban hành Quyết định số 788/QĐ-BXD về việc công nhận huyện Tĩnh Gia, tỉnh Thanh Hóa đạt tiêu chuẩn đô thị loại IV.

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 xã Hùng Sơn vào xã Các Sơn, sáp nhập xã Triêu Dương vào xã Hải Ninh, sáp nhập xã Hải Hòa vào thị trấn Tĩnh Gia.[6]

Sau khi sáp nhập các xã, huyện Tĩnh Gia có thị trấn Tĩnh Gia (huyện lỵ) và 30 xã: Anh Sơn, Bình Minh, Các Sơn, Định Hải, Hải An, Hải Bình, Hải Châu, Hải Hà, Hải Hòa, Hải Lĩnh, Hải Nhân, Hải Ninh, Hải Thanh, Hải Thượng, Hải Yến, Mai Lâm, Nghi Sơn, Ngọc Lĩnh, Nguyên Bình, Ninh Hải, Phú Lâm, Phú Sơn, Tân Dân, Tân Trường, Thanh Sơn, Thanh Thủy, Trúc Lâm, Trường Lâm, Tùng Lâm, Xuân Lâm.

Ngày 22 tháng 4 năm 2020, Ủy ban Thường vụ Quốc hội thông qua Nghị quyết số 933/NQ-UBTVQH14 về việc thành lập thị xã Nghi Sơn và các phường thuộc thị xã Nghi Sơn[1]. Theo đó:

• Thành lập thị xã Nghi Sơn trên cơ sở toàn bộ diện tích và dân số của huyện Tĩnh Gia.
• Chuyển thị trấn Tĩnh Gia thành phường Hải Hòa và chuyển 15 xã: Bình Minh, Hải An, Hải Bình, Hải Châu, Hải Lĩnh, Hải Thanh, Hải Thượng, Mai Lâm, Nguyên Bình, Ninh Hải, Tân Dân, Tĩnh Hải, Trúc Lâm, Xuân Lâm thành 15 phường có tên tương ứng.

Sau khi thành lập, thị xã Nghi Sơn có 16 phường và 15 xã như hiện nay.