Nguyên xưa, nơi đây là vùng đất thuộc châu Lý của Chiêm Thành. Sau khi được sáp nhập vào Đại Việt, Nhà Trần đã đổi tên châu Lý thành Hóa Châu. Thời Lê, đặt thành huyện Tư Vinh thuộc phủ Triệu Phong. Đầu thời Nguyễn đổi tên là huyện Phú Vinh, nhưng thường đọc trại thành Phú Vang thành tên gọi như ngày nay.

Sau năm 1975, huyện Phú Vang có 20 xã: Phú An, Phú Đa, Phú Diên, Phú Dương, Phú Hải, Phú Hồ, Phú Lương, Phú Mậu, Phú Mỹ, Phú Tân, Phú Thanh, Phú Thuận, Phú Thượng, Phú Xuân, Vinh An, Vinh Hà, Vinh Phú, Vinh Thái, Vinh Thanh, Vinh Xuân.

Ngày 11 tháng 3 năm 1977, huyện Phú Vang sáp nhập với huyện Hương Thủy thành huyện Hương Phú.[3]

Ngày 11 tháng 9 năm 1981, các xã Phú Thượng, Phú Dương, Phú Mậu, Phú Thanh, Phú Tân được sáp nhập vào thành phố Huế.[4]

Ngày 29 tháng 9 năm 1990, Hội đồng Bộ trưởng ban hành Quyết định 345-HĐBT[5]. Theo đó, tái lập huyện Phú Vang từ một phần diện tích và dân số của huyện Hương Phú và thành phố Huế.

Sau khi tái lập, huyện có 21 xã: Phú An, Phú Đa, Phú Diên, Phú Dương, Phú Hải, Phú Hồ, Phú Lương, Phú Mậu, Phú Mỹ, Phú Tân, Phú Thanh, Phú Thuận, Phú Thượng, Phú Xuân, Thuận An, Vinh An, Vinh Hà, Vinh Phú, Vinh Thái, Vinh Thanh, Vinh Xuân. Huyện lỵ của huyện đặt tại xã Phú Dương.[6]

Ngày 20 tháng 8 năm 1999, sáp nhập hai xã Thuận An và Phú Tân thành thị trấn Thuận An.[7]

Năm 2003, huyện lỵ của huyện được dời từ xã Phú Dương về xã Phú Đa.[6]

Ngày 30 tháng 5 năm 2011, chuyển xã Phú Đa thành thị trấn Phú Đa, thị trấn huyện lỵ huyện Phú Vang.[8]

Ngày 1 tháng 1 năm 2020, sáp nhập xã Vinh Phú và xã Vinh Thái thành xã Phú Gia.[9]

Ngày 27 tháng 4 năm 2021, Ủy ban Thường vụ Quốc hội ban hành Nghị quyết số 1264/NQ-UBTVQH14 (nghị quyết có hiệu lực từ ngày 1 tháng 7 năm 2021)[1]. Theo đó, chuyển thị trấn Thuận An và 4 xã: Phú Dương, Phú Mậu, Phú Thanh, Phú Thượng về thành phố Huế quản lý.

Huyện Phú Vang có 1 thị trấn và 13 xã như hiện nay.