Huyện Tam Đường được thành lập vào ngày 14 tháng 1 năm 2002, trên cơ sở tách thị trấn Phong Thổ và 14 xã: Bản Bo, Bản Giang, Bản Hon, Bình Lư, Hồ Thầu, Khun Há, Lản Nhì Thàng, Nà Tăm, Nậm Loỏng, Nùng Nàng, Sùng Phài, Tam Đường, Tả Lèng, Thèn Sin thuộc huyện Phong Thổ.[1]

Khi mới thành lập, huyện Tam Đường có 82.843,7 ha diện tích tự nhiên và 52.567 nhân khẩu.

Ngày 26 tháng 11 năm 2003, Quốc hội thông qua Nghị quyết số 22/2003/QH11 chia tỉnh Lai Châu cũ thành hai tỉnh Lai Châu và Điện Biên[6], huyện Tam Đường thuộc tỉnh Lai Châu mới. Đồng thời, tỉnh lỵ tỉnh Lai Châu đặt tại thị trấn Phong Thổ thuộc huyện Tam Đường.

Ngày 10 tháng 10 năm 2004, Chính phủ ban hành Nghị định 176/2004/NĐ-CP[7]. Theo đó:

• Thành lập thị xã Lai Châu, thị xã tỉnh lỵ tỉnh Lai Châu trên cơ sở toàn bộ diện tích và dân số của thị trấn Phong Thổ và 2 xã: Nậm Loỏng, Tam Đường và một phần diện tích, dân số của xã Sùng Phài thuộc huyện Tam Đường.
• Thành lập thị trấn Tam Đường trên cơ sở một phần diện tích và dân số của xã Bình Lư.

Huyện Tam Đường còn lại 75.760,70 ha diện tích tự nhiên và 42.131 người.

Ngày 27 tháng 12 năm 2006, chia xã Bình Lư thành hai xã Bình Lư và Sơn Bình; chuyển xã Lản Nhì Thàng về huyện Phong Thổ quản lý.[8]

Ngày 8 tháng 4 năm 2008, chia xã Hồ Thầu thành hai xã Hồ Thầu và Giang Ma.[9]

Ngày 10 tháng 1 năm 2020, chuyển xã Sùng Phài về thành phố Lai Châu quản lý.[2]

Sau khi điều chỉnh, huyện Tam Đường còn lại 662,92 km2 diện tích tự nhiên và 52.470 người, có 1 thị trấn và 12 xã như hiện nay.