Địa bàn xã Quang Diệm hiện nay trước đây vốn là hai xã Sơn Quang và Sơn Diệm thuộc huyện Hương Sơn.

Trước khi sáp nhập, xã Sơn Quang có diện tích 15,53 km², dân số là 2.418 người, mật độ dân số đạt 156 người/km². Xã Sơn Diệm có diện tích 18,79 km², dân số là 4.148 người, mật độ dân số đạt 221 người/km².

Ngày 21 tháng 11 năm 2019, Ủy ban Thường vụ Quốc hội ban hành Nghị quyết số 819/NQ-UBTVQH14 về việc sắp xếp các đơn vị hành chính cấp xã thuộc tỉnh Hà Tĩnh (nghị quyết có hiệu lực từ ngày 1 tháng 1 năm 2020)[1]. Theo đó, sáp nhập toàn bộ diện tích và dân số của hai xã Sơn Quang và Sơn Diệm thành xã Quang Diệm.