Tháng 10 năm 1956, chính quyền Việt Nam Cộng hòa lập tỉnh Phước Tuy gồm địa bàn tỉnh Bà Rịa và quần đảo Trường Sa. Vùng đất thị xã Phú Mỹ ngày nay tương ứng với tổng An Phú Tân, quận Châu Thành, tỉnh Phước Tuy.

Ngày 23 tháng 12 năm 1961, quận Đức Thạnh được thành lập trên cơ sở bốn xã tách từ quận Châu Thành. Năm 1962, quận Châu Thành đổi tên thành quận Long Lễ.

Từ tháng 2 năm 1976, chính phủ Cách mạng Lâm thời Cộng hòa Miền Nam Việt Nam sáp nhập tỉnh ba tỉnh Biên Hòa, Phước Tuy và Long Khánh thành tỉnh Đồng Nai. Đồng thời, các quận chuyển thành huyện. Hai quận Long Lễ và Đức Thạnh được hợp lại thành huyện Châu Thành, tỉnh Đồng Nai.

Ngày 12 tháng 8 năm 1991, thành lập tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu từ Đặc khu Vũng Tàu – Côn Đảo và 3 huyện Châu Thành, Long Đất và Xuyên Mộc thuộc tỉnh Đồng Nai.

Ngày 2 tháng 6 năm 1994, Chính phủ ban hành Nghị định số 45-CP[1]. Theo đó:

• Thành lập huyện Tân Thành trên cơ sở tách các xã Phú Mỹ, Hội Bài, Phước Hòa, Mỹ Xuân, Hắc Dịch, Châu Pha; khu kinh tế mới Tóc Tiên; 800 ha diện tích tự nhiên của thôn Phước Tân, thị trấn Bà Rịa cũ (sáp nhập vào xã Châu Pha) thuộc huyện Châu Thành cũ.
• Chuyển xã Phú Mỹ thành thị trấn Phú Mỹ, thị trấn huyện lỵ huyện Tân Thành
• Chia xã Hắc Dịch thành 2 xã Hắc Dịch và Sông Xoài
• Thành lập xã Tóc Tiên trên cơ sở khu kinh tế mới Tóc Tiên.

Huyện Tân Thành có 8 đơn vị hành chính trực thuộc, gồm thị trấn Phú Mỹ và 7 xã: Châu Pha, Hắc Dịch, Hội Bài, Mỹ Xuân, Phước Hòa, Sông Xoài, Tóc Tiên.

Ngày 9 tháng 12 năm 2003, chia xã Hội Bài thành 2 xã: Tân Hải và Tân Hòa, chia xã Phước Hòa thành 2 xã: Phước Hòa và Tân Phước[5].

Ngày 7 tháng 10 năm 2013, thị trấn Phú Mỹ mở rộng thuộc huyện Tân Thành được công nhận là đô thị loại IV.[3]

Từ đó đến cuối năm 2017, huyện Tân Thành có 1 thị trấn Phú Mỹ và 9 xã: Châu Pha, Hắc Dịch, Mỹ Xuân, Phước Hòa, Sông Xoài, Tân Hải, Tân Hòa, Tân Phước, Tóc Tiên.

Ngày 12 tháng 4 năm 2018, Ủy ban Thường vụ Quốc hội ban hành Nghị quyết số 492/NQ-UBTVQH14[2]. Theo đó:

• Thành lập thị xã Phú Mỹ trên cơ sở toàn bộ diện tích và dân số của huyện Tân Thành.
• Chuyển thị trấn Phú Mỹ và 4 xã: Hắc Dịch, Mỹ Xuân, Phước Hòa, Tân Phước thành 5 phường có tên tương ứng.

Sau khi thành lập, thị xã Phú Mỹ có 333,84 km² diện tích tự nhiên và 175.872 người với 10 đơn vị hành chính trực thuộc, gồm 5 phường: Hắc Dịch, Mỹ Xuân, Phú Mỹ, Phước Hòa, Tân Phước và 5 xã: Châu Pha, Sông Xoài, Tân Hải, Tân Hòa, Tóc Tiên.