Trước năm 1991, địa bàn huyện Ngọc Hồi là một phần của các huyện Đắk Glei, Sa Thầy, Đắk Tô.

Ngày 15 tháng 10 năm 1991, Hội đồng Bộ trưởng ban hành Quyết định số 316-HĐBT[1], về việc thành lập huyện Ngọc Hồi trên cơ sở chia tách 3 huyện: Đắk Glei, Sa Thầy, Đắk Tô gồm:

• Tách 3 xã Đắk Xú, Pờ Y, Sa Loong của huyện Sa Thầy với 46.000 hécta diện tích tự nhiên và 6.794 nhân khẩu
• Tách xã Đắk Ang của huyện Đắk Tô với 13.864 hécta diện tích tự nhiên và 1.785 nhân khẩu
• Tách xã Dục Nông của huyện Đắk Glei với 26.890 hécta diện tích tự nhiên và 4.008 nhân khẩu.

Sau khi thành lập, huyện Ngọc Hồi có 86.754 hécta diện tích tự nhiên và 12.587 nhân khẩu; bao gồm 5 xã: Đăk Xú, Pờ Y, Sa Lon, Dục Nông và Đăk Ang.

Ngày 17 tháng 10 năm 1991, Chính phủ ban hành Quyết định số 514-TCCP[5] về việc thành lập thị trấn huyện lỵ Plei Kần trên cơ sở một phần diện tích và dân số của xã Đăk Xú.

Ngày 22 tháng 11 năm 1996, chia xã Dục Nông thành 2 xã Đắk Dục và Đắk Nông.

Ngày 8 tháng 1 năm 2004, thành lập xã Đắk Kan trên cơ sở 8.790 ha diện tích tự nhiên và 2.293 nhân khẩu của xã Đắk Xú, 250 ha diện tích tự nhiên và 635 nhân khẩu của xã Sa Loong.

Ngày 23 tháng 1 năm 2015, thị trấn Plei Kần mơ rộng (bao gồm thị trấn Plei Kần và một phần xã Đăk Xú) được Bộ Xây dựng công nhận là đô thị loại IV.[6]

Từ đó, huyện Ngọc Hồi có 1 thị trấn và 7 xã như hiện nay.