Thời Nhà Ngô, Thanh Chương là thủ phủ Châu Hoan, nơi đặt dinh trấn thủ của quan thứ sử Đinh Công Trứ.[3]

Thời thuộc nhà Minh, Thanh Chương là đất huyện Thổ Du phủ Nghệ An.

Thời nhà Lê huyện được gọi là Thanh Giang, sau đổi thành Thanh Chương. Trong danh sách phủ huyện thời Hồng Đức (1479-1497) được chép trong Thiên Nam dư hạ tập vẫn còn chép là Thanh Giang. Năm 1490, niên hiệu Hồng Đức thứ 21 thì Thanh Chương là một huyện thuộc phủ Đức Quang (cùng với Hương Sơn, La Sơn, Thiên Lộc, Nghi Xuân, Chân Phúc), xứ Nghệ An.

Năm 1831, niên hiệu Minh Mạng thứ 12, xứ Nghệ An tách thành 2 tỉnh Nghệ An và Hà Tĩnh. Lúc đó huyện Thanh Chương nhập vào phủ Anh Sơn (gồm các huyện: Lương Sơn, Nam Đàn, Thanh Chương và Hưng Nguyên) thuộc tỉnh Nghệ An.

Năm 1919, chính quyền thực dân phong kiến bỏ cấp phủ, huyện Thanh Chương trực thuộc tỉnh Nghệ An. Các tổng cũ được phân chia thành 12 xã cụ thể như sau:

• Tổng Cát Ngạn chia làm 3 xã: Cát Văn, Minh Sơn, Tam Đồng.
• Tổng Võ Liệt: Đồng Thanh, Vịnh Thọ, Kim Bảng.
• Tổng Bích Triều: Tân Dân, Xuân Triều.
• Tổng Đại Đồng: Đại Đồng, Đồng Văn.
• Tổng Xuân Lâm: Minh Tiến, Mai Lâm.

Đầu năm 1954, theo chủ trương phân chia lại cấp xã của UBKCHC Liên Khu IV thì huyện Thanh Chương trên cơ sở 12 xã cũ đã chia thành 41 xã mới như sau:

• Xã Cát Văn chia thành 3 xã: Thanh Cát, Thanh Bài và Thanh Bình.
• Xã Minh Sơn chia thành 4 xã là: Thanh Đức, Thanh Mỹ, Thanh Nho và Thanh Hòa.
• Xã Tam Đồng chia thành 3 xã là: Thanh Tiên, Thanh Liên và Thanh Chung.
• Xã Đồng Thanh chia thành 2 xã: Thanh Hương và Thanh Lĩnh.
• Xã Vĩnh Thọ chia thành 4 xã: Thanh Thịnh, Thanh An, Thanh Chi, Thanh Khê.
• Xã Kim Bảng chia thành 4 xã: Thanh Minh, Thanh Tân, Thanh Long, Thanh Hà.
• Xã Thanh Dân chia thành 4 xã: Thanh Giang, Thanh Mai, Thanh Tùng và Thanh Bích.
• Xã Xuân Triều chia thành 2 xã: Thanh Xuân và Thanh Lâm.
• Xã Đại Đồng chia thành 5 xã: Thanh Hưng, Thanh Văn, Thanh Tường, Thanh Đồng và Thanh Phong
• Xã Đồng Văn chia làm 3 xã: Thanh Ngọc, Thanh Luân, Thanh Tài.
• Xã Mai Lâm chia làm 3 xã: Thanh Lam (Lam Sơn – Lam Hồng – Lam Thắng), Thanh Nam, Thanh Trường.
• Xã Minh Tiến chia làm 4 xã là: Thanh Dương, Thanh Lương, Thanh Yên và Thanh Khai.

Ngày 15 tháng 4 năm 1967, theo quyết định số 140/NV của Bộ trưởng bộ Nội vụ:

• Giải thể Thanh Bích sáp nhập vào hai xã Thanh Giang (thôn Bích Lam và xóm Thanh Lam) và xã Thanh Lâm (thôn Bích Sơn và HTX Bích Hào).
• Chia xã Thanh Đức thành hai xã mới là Thanh Đức và Hạnh Lâm.
• Lập thêm 2 xã mới là xã Thanh Thủy và Thanh Lạc (hai xã mới này do phong trào khai hoang mà có).

Ngày 24 tháng 3 năm 1969, theo quyết định số 159 - NV của Bộ trưởng Bộ Nội vụ, huyện Thanh Chương đã hình thành nên một số xã mới do hợp nhất từ xã cũ như sau:

• Xã Bình Dương (Thanh Hưng và Thanh Văn hợp thành).
• Xã Ngọc Sơn (Thanh Lam nhập với Thanh Nam).
• Xã Đồng Văn (Thanh Luân nhập với Thanh Tài).
• Xã Xuân Tường (Thanh Trường nhập với Thanh Dương).
• Xã Phong Thịnh (Thanh Bình nhập với Thanh Chung).
• Xã Thanh Mỹ (Thanh Mỹ nhập với Thanh Lạc).
• Xã Thọ Lâm (Thanh Thịnh nhập với Thanh An).
• Xã Quảng Xã (Thanh Long nhập với Thanh Hà).
• Xã La Mạc (Thanh Nho nhập với Thanh Hòa).
• Xã Thanh Quả (Thanh Chi nhập với Thanh Khê).
• Xã Võ Liệt (Thanh Minh nhập với Thanh Tân).
• Xã Hạnh Lâm (Thanh Đức nhập với Hạnh Lâm).

Ngày 21 tháng 4 năm 1969, Bộ Nội vụ ra quyết định số 201/NV của Bộ trưởng Bộ Nội vụ, huyện Thanh Chương tiếp tục hình thành nên một số xã mới do hợp nhất từ xã cũ như sau:

• Hợp nhất hai xã Thanh Mai và Thanh Giang lấy tên là xã Thanh Giang.
• Hợp nhất 2 xã Thanh Tường và Thanh Đồng lấy tên là xã Tường Đồng.
• Hợp nhất 2 xã Thanh Cát và Thanh Bài lấy tên là xã Cát Văn.

Đến đầu năm 1971, các xã Bình Dương, Tường Đồng, Thọ Lâm... được tách ra thành các xã như cũ.

Từ năm 1976 đến năm 1991, huyện Thanh Chương thuộc tỉnh Nghệ Tĩnh, gồm 36 xã: Cát Văn, Đồng Văn, Hạnh Lâm, Ngọc Sơn, Phong Thịnh, Thanh An, Thanh Chi, Thanh Đồng, Thanh Dương, Thanh Giang, Thanh Hà, Thanh Hòa, Thanh Hưng, Thanh Hương, Thanh Khai, Thanh Khê, Thanh Lâm, Thanh Liên, Thanh Lĩnh, Thanh Long, Thanh Lương, Thanh Mai, Thanh Mỹ, Thanh Ngọc, Thanh Nho, Thanh Phong, Thanh Thịnh, Thanh Thủy, Thanh Tiên, Thanh Tùng, Thanh Tường, Thanh Văn, Thanh Xuân, Thanh Yên, Võ Liệt, Xuân Tường.

Ngày 27 tháng 10 năm 1984, thành lập thị trấn Thanh Chương, thị trấn huyện lỵ huyện Thanh Chương trên cơ sở 64 ha đất của xã Đồng Văn; 92 ha đất của xã Thanh Ngọc và 124 ha đất của xã Thanh Đồng.

Từ 1991 đến nay, huyện Thanh Chương thuộc tỉnh Nghệ An.

Ngày 10 tháng 4 năm 2002, thành lập xã Thanh Đức trên cơ sở 17.000,76 ha diện tích tự nhiên và 4.870 nhân khẩu của xã Hạnh Lâm.

Ngày 9 tháng 2 năm 2009, điều chỉnh một phần dân số của huyện Tương Dương về các khu tái định cư thuộc huyện Thanh Chương (dân cư của các xã giải thể để xây dựng hồ thủy điện Bản Vẽ), đồng thời:

• Thành lập xã Thanh Sơn trên cơ sở điều chỉnh 6.739,46 ha diện tích tự nhiên của xã Hạnh Lâm và 647,63 ha diện tích tự nhiên của xã Thanh Mỹ thuộc huyện Thanh Chương; 3.650 người của xã Kim Đa và 1.598 người của xã Hữu Dương (các xã vừa giải thể) thuộc huyện Tương Dương chuyển sang
• Thành lập xã Ngọc Lâm trên cơ sở điều chỉnh 5.269,79 ha diện tích tự nhiên của xã Thanh Hương, 3.652,85 ha diện tích tự nhiên của xã Thanh Thịnh thuộc huyện Thanh Chương; 2.725 người của xã Kim Tiến, 1.585 nhân khẩu của xã Luân Mai, 1.073 người của xã Hữu Dương (các xã vừa giải thể) và 1.435 người của xã Hữu Khuông thuộc huyện Tương Dương chuyển sang.

Ngày 11 tháng 10 năm 2011, mở rộng thị trấn Thanh Chương trên cơ sở sáp nhập 358,1 ha diện tích tự nhiên và 1.871 nhân khẩu của xã Thanh Ngọc, 13,23 ha diện tích tự nhiên và 357 nhân khẩu của xã Đồng Văn.

Ngày 17 tháng 12 năm 2019, sáp nhập 3 xã Thanh Tường, Thanh Văn và Thanh Hưng thành xã Đại Đồng.[4]

Huyện Thanh Chương có 1 thị trấn và 37 xã như hiện nay.