Vùng đất này từng là kinh đô Panduranga của Vương quốc Champa cổ.

Thị xã Phan Rang được thành lập theo đạo dụ của vua Khải Định ban hành ngày 4 tháng 8 năm 1917.

Trước năm 1976, Phan Rang là tỉnh lỵ của tỉnh Ninh Thuận.

Từ năm 1976 đến năm 1991, khi tỉnh Ninh Thuận hợp nhất với tỉnh Bình Thuận (kể cả tỉnh Bình Tuy của Việt Nam Cộng hòa) thành tỉnh Thuận Hải thì thị xã Phan Rang không còn là tỉnh lỵ.

Ngày 27 tháng 4 năm 1977, Hội đồng Chính phủ ban hành Quyết định 124-CP[4]. Theo đó, giải thể thị xã Phan Rang, đồng thời:

• Sáp nhập 6 phường: Mỹ Hương, Tấn Tài, Kim Định, Thanh Sơn, Phủ Hà, Đạo Long vào huyện Ninh Hải để thành lập thị trấn Phan Rang, thị trấn huyện lỵ huyện Ninh Hải.
• Sáp nhập 3 phường: Đô Vinh, Bảo An, Phước Mỹ vào huyện An Sơn mới thành lập để thành lập thị trấn Tháp Chàm, thị trấn huyện lỵ huyện An Sơn.

Ngày 1 tháng 9 năm 1981, thị xã Phan Rang được tái lập với tên mới là thị xã Phan Rang - Tháp Chàm theo Quyết định số 45-HĐBT của Hội đồng Bộ trưởng, đồng thời với việc thành lập ba huyện Ninh Sơn, Ninh Hải và Ninh Phước trên cơ sở giải thể 2 huyện An Sơn và Ninh Hải.[5] Lúc này, thị xã Phan Rang - Tháp Chàm gồm 9 phường: Bảo An, Đô Vinh, Phước Mỹ, Phủ Hà, Thanh Sơn, Mỹ Hương, Kinh Dinh, Đạo Long, Tấn Tài và 3 xã: Văn Hải, Khánh Hải và Thành Hải.

Ngày 30 tháng 10 năm 1982, chuyển 2 xã Mỹ Hải và xã Đông Hải thuộc huyện Ninh Hải về thị xã Phan Rang - Tháp Chàm quản lý.[6] Thị xã Phan Rang - Tháp Chàm có 9 phường và 5 xã trực thuộc.

Tháng 7 năm 1991, chuyển xã Khánh Hải về huyện Ninh Hải quản lý (nay là thị trấn Khánh Hải, thị trấn huyện lỵ huyện Ninh Hải).

Năm 1992, tỉnh Ninh Thuận được tái lập, thị xã Phan Rang - Tháp Chàm trở lại là tỉnh lỵ tỉnh Ninh Thuận.[7]

Ngày 25 tháng 12 năm 2001:

• Chuyển xã Đông Hải thành phường Đông Hải
• Thành lập phường Mỹ Đông từ một phần xã Mỹ Hải
• Thành lập phường Đài Sơn từ một phần phường Thanh Sơn và xã Thành Hải.[8] Thị xã Phan Rang - Tháp Chàm có 12 phường và 3 xã trực thuộc.

Tháng 1 năm 2005, thị xã Phan Rang - Tháp Chàm được công nhận là đô thị loại III.

Ngày 8 tháng 2 năm 2007, thị xã Phan Rang - Tháp Chàm trở thành thành phố theo Nghị định của Chính phủ.[1]

Ngày 21 tháng 1 năm 2008:

• Chia xã Mỹ Hải thành 2 phường: Mỹ Hải và Mỹ Bình
• Chuyển xã Văn Hải thành phường Văn Hải.[9]

Thành phố Phan Rang - Tháp Chàm có 15 phường và 1 xã như hiện nay.

Ngày 26 tháng 2 năm 2015, Thủ tướng Chính phủ ban hành Quyết định số 252/QĐ-TTg công nhận thành phố Phan Rang - Tháp Chàm là đô thị loại II trực thuộc tỉnh Ninh Thuận.[2]