Các di chỉ khảo cổ cho thấy người Việt đã sống ở đây cách nay 6.000 năm. Thời kỳ dựng nước nó là bộ Cửu Chân và bộ Quân Ninh của nước Văn Lang.

Thời Bắc thuộc

Đình Bảng Môn, xã Hoằng Lộc, Hoằng Hóa.

Thời Nhà Hán chính quyền đô hộ Thanh Hóa thuộc quận Cửu Chân. Sang đến thời Tam Quốc, nhà Đông Ngô trực tiếp cai trị. Sau khi tách quận Cửu Chân thành hai quận Cửu Chân và Cửu Đức thì thuộc quận Cửu Chân mới gồm đất Thanh Hóa ngày nay và một phần phía nam Ninh Bình. Cửu Chân được chia làm 7 huyện: Tư Phố, Di Phong, Cư Phong, Trạn Ngô, Kiến Sơ, Phù Lạc, Thường Lạc, Tùng Nguyên. Sang đến thời nhà Lương, Lương Võ Đế đổi Cửu Chân làm Ái Châu. Đến thời Nhà Tùy gọi là Cửu Chân quận.

Thời kỳ tự chủ

Bản đồ cổ tỉnh Thanh Hóa vào cuối thế kỷ XIX, thời Nhà Nguyễn.

Ở thời kỳ tự chủ thì Thanh Hóa được đổi tên nhiều lần nhưng Thanh Hóa vẫn là tỉnh có số lần sáp nhập và chia tách ít nhất cả nước.

Ở thời Nhà Đinh và Tiền Lê Thanh Hóa gọi là đạo Ái Châu. Ở thời Nhà Lý thời kỳ đầu gọi là trại Ái Châu, vào năm Thuận Thiên 1 thì gọi là Phủ Thanh Hóa.

Năm 1242, vua Trần Thái Tông đổi 24 lộ đời Lý thành 12 lộ, trong đó có Thanh Hóa phủ lộ. Năm Quang Thái thứ 10 (Trần Thuận Tông - năm 1397) đổi làm trấn Thanh Ðô. Trấn Thanh Ðô lúc này gồm 7 huyện và 3 châu (mỗi châu có 4 huyện). Trong đó, 7 huyện là: Cổ Ðằng, Cổ Hoằng, Ðông Sơn, Cổ Lôi, Vĩnh Ninh, Yên Ðịnh, Lương Giang. 3 châu bao gồm: châu Thanh Hóa gồm huyện Nga Lạc, huyện Tế Giang, huyện Yên Lạc, huyện Lỗi Giang; châu Ái gồm huyện Hà Trung, huyện Thống Bình, huyện Tống Giang, huyện Chi Nga; châu Cửu Chân gồm huyện Cổ Chiến, huyện Kết Thuế, huyện Duyên Giác, huyện Nông Cống.

Năm 1397, Trần Thuận Tông đổi làm trấn Thanh Đô, gồm 3 châu và 7 huyện: châu Thanh Hóa (gồm Nga Lạc, Tế Giang, Yên Lạc, Lỗi Giang); châu Ái (gồm: Hà Trung, Thống Bình, Tống Giang, Chi Nga);châu Cửu Chân (gồm: Cổ Chiến, Kết Thuế, Duyên Giác, Nông Cống); huyện Cổ Đằng; huyện Cổ Hoằng; huyện Đông Sơn; huyện Vĩnh Ninh; huyện Yên Định; huyện Lương Giang; huyện Cổ Lôi.

Vò sành đựng lương thực tại Thanh Hóa, thế kỷ XI-XII.

Năm 1403, Hồ Hán Thương đổi phủ Thanh Hóa thành phủ Thiên Xương. Sách Ðại Nam nhất thống chí ghi:

Phủ này (tức phủ Thiên Xương) cùng Cửu Chân và Ái Châu làm "tam phủ" gọi là Tây Ðô". Thời thuộc Minh, trấn Thanh Ðô đổi thành phủ Thanh Hóa (năm 1407 - theo Ðào Duy Anh)' và Thời thuộc Minh lại làm phủ Thanh Hóa, lãnh 4 châu là Cửu Chân, Ái Châu, Thanh Hóa, Quỳ Châu và 11 huyện. Trong đó, 11 huyện là Yên Ðịnh, Nông Cống, Vĩnh Ninh, Tống Giang, Cổ Ðằng, Nga Lạc, Lương Giang, Lỗi Giang, Ðông Sơn, Yên Lạc, Cổ Lôi[9]

Sau khi Nhà Hồ thất thủ, Nhà Minh cai trị Đại Việt, lại đổi lại làm phủ Thanh Hóa như cũ, đặt thêm hai huyện: Lôi Dương, Thụy Nguyên. Về địa giới vẫn không đổi.[9]

Sau khi khởi nghĩa Lam Sơn thắng lợi, nhà hậu Lê cầm quyền. Năm Thuận Thiên thứ nhất (năm 1428), Lê Thái Tổ chia nước làm 5 đạo, Thanh Hóa thuộc Hải Tây đạo, đến năm Quang Thuận thứ 7 (năm 1466) đặt tên là Thừa Tuyên Thanh Hóa, năm Quang Thuận thứ 10 (năm 1469) lại đổi thành Thừa Tuyên Thanh Hoa, tên Thanh Hoa có từ đây. Thanh Hoa Thừa Tuyên theo "Thiên Nam dư hạ tập" lãnh 4 phủ, 16 huyện và 4 châu.

Thời Nhà Lê, Thanh Hóa là thừa tuyên Thanh Hóa (Thanh Hoa), gồm phần đất tỉnh Thanh Hóa ngày nay và tỉnh Ninh Bình (thời kỳ đó là phủ Trường Yên, trực thuộc) và tỉnh Hủa Phăn (Sầm Nưa) của Lào (thời kỳ đó gọi là châu Sầm). Xứ Thanh Hoa thời Nhà Lê với 6 phủ:

• Phủ Thiệu Thiên (Thiệu Hóa), nằm ở phía tây tây bắc xứ Thanh, có 8 huyện: Thụy Nguyên, Vĩnh Phúc (Vĩnh Lộc), Đông Sơn, Lôi Dương, Yên Định, Cẩm Thủy, Thạch Thành, Quảng Bình.
• Phủ Hà Trung phủ có 4 huyện: Hoằng Hóa, Thuần Lộc (Hậu Lộc), Nga Sơn, Tống Sơn.
• Phủ Tĩnh Gia có 3 huyện: Nông Cống, Ngọc Sơn, Quảng Xương.
• Phủ Thanh Đô có 4 châu và 1 huyện là huyện Thọ Xuân và các châu: Khai Na (Quan Da), Tàm (châu), Lương Chính (Lang Chánh), Sầm (châu) (nay thuộc Lào).
• Phủ Trường Yên, nay là một phần tỉnh Ninh Bình, có 3 huyện: Gia Viễn, Yên Mô, Yên Khang (Yên Khánh).
• Phủ Thiên Quan (Nho Quan), ở phía Tây Bắc xứ Thanh, giáp với trấn Sơn Tây và trấn Sơn Nam, nay thuộc các tỉnh Ninh Bình và Hòa Bình, có 3 huyện: Phụng Hóa, Yên Hóa, Lạc Thổ (Lạc Sơn).[10]

Sau khi Nhà Nguyễn lên nắm quyền, vào năm Gia Long thứ nhất (1802), đổi gọi là trấn Thanh Hóa. Năm Minh Mệnh thứ 12 (1831), đổi trấn thành tỉnh, bắt đầu gọi là tỉnh Thanh Hoa (Hoa: tinh hoa). Đến năm Thiệu Trị thứ ba (1843), lại đổi thành tỉnh Thanh Hóa.[11]Tên gọi Thanh Hóa không đổi từ đó cho tới ngày nay.

Thời kỳ hiện đại (sau năm 1945 đến nay)

Sau Cách mạng tháng Tám năm 1945, các cấp hành chính là châu, phủ, quận được bãi bỏ. Tỉnh Thanh Hóa lúc này có 21 đơn vị hành chính gồm thị xã Thanh Hóa và 20 huyện: Bá Thước, Cẩm Thủy, Đông Sơn, Hà Trung, Hậu Lộc, Hoằng Hóa, Lang Chánh, Nga Sơn, Ngọc Lặc, Như Xuân, Nông Cống, Quan Hóa, Quảng Xương, Thạch Thành, Thiệu Hóa, Thọ Xuân, Thường Xuân, Tĩnh Gia, Vĩnh Lộc, Yên Định.

Ngày 16 tháng 12 năm 1964, huyện Triệu Sơn được thành lập trên cơ sở tách 13 xã thuộc huyện Thọ Xuân và 20 xã thuộc huyện Nông Cống[12]

Ngày 5 tháng 7 năm 1977, hợp nhất 2 huyện Hà Trung và Nga Sơn thành huyện Trung Sơn; hợp nhất 2 huyện Vĩnh Lộc và Thạch Thành thành huyện Vĩnh Thạch; hợp nhất 2 huyện Lang Chánh và Ngọc Lặc thành huyện Lương Ngọc; hợp nhất huyện Yên Định và 15 xã của huyện Thiệu Hóa ở tả ngạn sông Chu thành huyện Thiệu Yên; hợp nhất huyện Đông Sơn và 16 xã còn lại của huyện Thiệu Hóa ở hữu ngạn sông Chu thành huyện Đông Thiệu.[13]

Ngày 18 tháng 12 năm 1981, thành lập 2 thị xã Bỉm Sơn (tách ra từ huyện Trung Sơn) và Sầm Sơn (tách ra từ huyện Quảng Xương).[14]

Ngày 30 tháng 8 năm 1982, chia các huyện Lương Ngọc, Trung Sơn, Vĩnh Thạch thành các huyện như cũ; đổi tên huyện Đông Thiệu thành huyện Đông Sơn nhưng vẫn giữ nguyên địa giới như cũ.[15]

Ngày 1 tháng 5 năm 1994, chuyển thị xã Thanh Hóa thành thành phố Thanh Hóa.[16]

Ngày 18 tháng 11 năm 1996, chia huyện Quan Hóa thành 3 huyện Quan Hóa, Quan Sơn và Mường Lát; chia huyện Như Xuân thành 2 huyện Như Xuân và Như Thanh; tái lập huyện Thiệu Hóa trên cơ sở tách 16 xã thuộc huyện Đông Sơn ở hữu ngạn sông Chu và 15 xã thuộc huyện Thiệu Yên ở tả ngạn sông Chu; đổi tên huyện Thiệu Yên thành huyện Yên Định.[17]

Ngày 19 tháng 4 năm 2017, chuyển thị xã Sầm Sơn thành thành phố Sầm Sơn[18].