Huyện Tam Đảo cũ được thành lập theo Quyết định số 178-CP ngày 5 tháng 7 năm 1977 của Hội đồng Chính phủ trên cơ sở hợp nhất huyện Lập Thạch với huyện Tam Dương. Riêng 2 xã Định Trung và Khai Quang của huyện Tam Dương sáp nhập vào thị xã Vĩnh Yên.

Ngày 26 tháng 2 năm 1979, tái lập huyện Lập Thạch; đồng thời tiếp nhận 14 xã, 1 thị trấn (vốn thuộc huyện Bình Xuyên cũ) của huyện Mê Linh cắt sang.

Khi đó huyện Tam Đảo trực thuộc tỉnh Vĩnh Phú, gồm thị trấn nông trường Tam Đảo và 31 xã: An Hòa, Bá Hiến, Đại Đình, Đạo Đức, Đạo Tú, Đồng Tĩnh, Duy Phiên, Gia Khánh, Hồ Sơn, Hoàng Đan, Hoàng Hoa, Hoàng Lâu, Hợp Châu, Hợp Hòa, Hợp Thịnh, Hướng Đạo, Hương Sơn, Kim Long, Minh Quang, Phú Xuân, Quất Lưu, Sơn Lôi, Tam Canh, Tam Hợp, Tam Quan, Tân Phong, Thanh Lãng, Thanh Vân, Thiện Kế, Trung Mỹ, Vân Hội.

Ngày 11 tháng 1 năm 1996, giải thể xã Tam Canh để thành lập thị trấn Hương Canh; giải thể thị trấn nông trường Tam Đảo, địa bàn nhập vào các xã Trung Mỹ, Minh Quang; thành lập thị trấn Tam Dương trên cơ sở một phần diện tích và dân số của các xã Hợp Thịnh và Vân Hội.

Ngày 6 tháng 11 năm 1996, tỉnh Vĩnh Phúc được tái lập từ tỉnh Vĩnh Phú cũ, huyện Tam Đảo thuộc tỉnh Vĩnh Phúc.

Đến cuối năm 1997, huyện Tam Đảo có 2 thị trấn: Hương Canh, Tam Dương và 30 xã: An Hòa, Bá Hiến, Đại Đình, Đạo Đức, Đạo Tú, Đồng Tĩnh, Duy Phiên, Gia Khánh, Hồ Sơn, Hoàng Đan, Hoàng Hoa, Hoàng Lâu, Hợp Châu, Hợp Hòa, Hợp Thịnh, Hướng Đạo, Hương Sơn, Kim Long, Minh Quang, Phú Xuân, Quất Lưu, Sơn Lôi, Tam Hợp, Tam Quan, Tân Phong, Thanh Lãng, Thanh Vân, Thiện Kế, Trung Mỹ, Vân Hội.

Ngày 9 tháng 6 năm 1998, huyện Tam Đảo tách trở lại thành 2 huyện Tam Dương và Bình Xuyên. Như vậy đến thời điểm này, huyện Tam Đảo cũ không còn tồn tại.

Huyện Tam Đảo mới thành lập theo Nghị định số 153/2003/NĐ-CP ngày 9 tháng 12 năm 2003 của chính phủ nước Cộng hòa Xã hội chủ nghĩa Việt Nam trên cơ sở tách 3 xã: Yên Dương, Đạo Trù, Bồ Lý của huyện Lập Thạch; 4 xã: Đại Đình, Tam Quan, Hồ Sơn, Hợp Châu của huyện Tam Dương; xã Minh Quang của huyện Bình Xuyên và thị trấn Tam Đảo của thị xã Vĩnh Yên.[2] Huyện lỵ đặt tại xã Hợp Châu.

Ngày 10 tháng 1 năm 2020, chuyển 2 xã Hợp Châu và Đại Đình thành 2 thị trấn có tên tương ứng.[3]

Huyện Tam Đảo có 3 thị trấn và 6 xã như hiện nay.