Địa bàn xã Thanh Cao hiện nay trước đây vốn là hai xã Cao Thắng và Thanh Lương thuộc huyện Lương Sơn.

Xã Thanh Lương được thành lập vào ngày 22 tháng 1 năm 1957 trên cơ sở tách một phần diện tích và dân số của xã Hợp Thanh[3]. Xã Cao Thắng được thành lập cùng ngày trên cơ sở tách một phần diện tích và dân số của xã Cao Dương.[4]

Ngày 26 tháng 11 năm 1970, Bộ trưởng Phủ thủ tướng ban hành Quyết định số 71-BT[5]. Theo đó, chuyển xã Cao Thắng và xã Thanh Lương về huyện Kim Bôi quản lý.

Ngày 14 tháng 7 năm 2009, Chính phủ ban hành Nghị quyết số 31/NQ-CP[6]. Theo đó, chuyển hai xã Cao Thắng và Thanh Lương thuộc huyện Kim Bôi trở lại huyện Lương Sơn.

Đến năm 2018, xã Cao Thắng có diện tích 7,73 km², dân số là 5.286 người, mật độ dân số đạt 684 người/km². Xã Thanh Lương có diện tích 7,69 km², dân số là 3.863 người, mật độ dân số đạt 502 người/km².

Ngày 17 tháng 12 năm 2019, Ủy ban Thường vụ Quốc hội ban hành Nghị quyết số 830/NQ-UBTVQH14 về việc sắp xếp các đơn vị hành chính cấp huyện, cấp xã thuộc tỉnh Hòa Bình (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 Cao Thắng và Thanh Lương thành xã Thanh Cao.