Năm 1611, địa danh Sông Cầu lần đầu tiên được xuất hiện thuộc huyện Đồng Xuân, phủ Trấn Biên.

Từ năm 1888-1889, tỉnh lỵ Phú Yên đặt tại Vũng Lắm (nay thuộc phường Xuân Đài, thị xã Sông Cầu). Từ năm 1899-1945, tỉnh lỵ được chuyển đến tại Long Bình (nay thuộc phường Xuân Phú, thị xã Sông Cầu).

Năm 1954, chính quyền Việt Nam Cộng Hòa thành lập Nha đại diện hành chánh Sông Cầu. Năm 1957, thành lập quận Sông Cầu gồm các xã: Xuân Lộc, Xuân Cảnh, Xuân Thịnh, Xuân Phương, Xuân Thọ tách ra từ quận Đồng Xuân.

Sau năm 1975, quận Sông Cầu sáp nhập với quận Đồng Xuân thành huyện Đồng Xuân, tỉnh Phú Khánh.

Tháng 3 năm 1977, huyện Đồng Xuân và huyện Tuy An được nhập lại thành huyện Xuân An. Tuy nhiên đến tháng 9 năm 1978 lại tách ra thành hai huyện Tuy An và Đồng Xuân.

Ngày 27 tháng 6 năm 1985, huyện Đồng Xuân lại chia tách thành hai huyện Đồng Xuân và Sông Cầu[2].

Khi mới tách ra, huyện Sông Cầu có thị trấn Sông Cầu và 9 xã: Xuân Bình, Xuân Cảnh, Xuân Hải, Xuân Hòa, Xuân Lộc, Xuân Phương, Xuân Thịnh, Xuân Thọ 1 và Xuân Thọ 2.

Tháng 7 năm 1989, tỉnh Phú Khánh cũ chia lại thành hai tỉnh Phú Yên và Khánh Hòa. Huyện Sông Cầu thuộc tỉnh Phú Yên vừa được tái lập.

Ngày 16 tháng 5 năm 2005, thành lập xã Xuân Lâm trên cơ sở điều chỉnh 13.038 ha diện tích tự nhiên và 4.003 nhân khẩu của thị trấn Sông Cầu[3].

Đến cuối năm 2008, huyện Sông Cầu có thị trấn Sông Cầu (huyện lị) và 10 xã: Xuân Bình, Xuân Cảnh, Xuân Hải, Xuân Hòa, Xuân Lâm, Xuân Lộc, Xuân Phương, Xuân Thịnh, Xuân Thọ 1 và Xuân Thọ 2.

Ngày 27 tháng 8 năm 2009, Chính phủ ban hành Nghị quyết 42/NQ-CP về việc thành lập thị xã Sông Cầu và các phường trực thuộc[1]. Theo đó:

• Thành lập thị xã Sông Cầu trên cơ sở toàn bộ diện tích và dân số của huyện Sông Cầu.
• Thành lập phường Xuân Yên trên cơ sở điều chỉnh 229,34 ha diện tích tự nhiên và 668 nhân khẩu của xã Xuân Phương; 273,01 ha diện tích tự nhiên và 5.201 nhân khẩu của thị trấn Sông Cầu.
• Thành lập phường Xuân Phú trên cơ sở điều chỉnh 1.116,61 ha diện tích tự nhiên và 8.324 nhân khẩu của thị trấn Sông Cầu.
• Thành lập phường Xuân Thành trên cơ sở điều chỉnh 163,00 ha diện tích tự nhiên và 6,047 nhân khẩu còn lại của thị trấn Sông Cầu; 365,57 ha diện tích tự nhiên và 3.074 nhân khẩu của xã Xuân Thọ 1; 9,08 ha diện tích tự nhiên và 120 nhân khẩu của xã Xuân Lâm.
• Thành lập phường Xuân Đài trên cơ sở điều chỉnh 418,57 ha diện tích tự nhiên và 3.145 nhân khẩu của xã Xuân Thọ 1; 643,30 ha diện tích tự nhiên và 5.858 nhân khẩu của xã Xuân Thọ 2.

Sau khi thành lập, thị xã Sông Cầu có 48.928,48 ha diện tích tự nhiên và 101.521 nhân khẩu với 14 đơn vị hành chính trực thuộc, gồm 4 phường và 10 xã.

Ngày 4 tháng 3 năm 2019, Bộ Xây dựng ra quyết định công nhận thị xã Sông Cầu là đô thị loại III.

Ngày 21 tháng 11 năm 2019, Ủy ban Thường vụ Quốc hội ban hành Nghị quyết 817/NQ-UBTVQH14 về việc sắp xếp các đơn vị hành chính cấp xã trên địa bàn tỉnh Phú Yên. Theo đó, sáp nhập toàn bộ diện tích và dân số của xã Xuân Hòa vào xã Xuân Cảnh.[4]

Thị xã Sông Cầu có 4 phường và 9 xã như hiện nay.