Từ thời đại Hùng Vương, Thanh Oai đã là trung tâm của nhà nước Văn Lang.[cần dẫn nguồn]

Vào triều vua Lý Cao Tông (1176- 1210), năm 1207 địa hương Thanh Oai đổi là huyện Thanh Oai.

Như vậy, tính tới năm 2007, huyện Thanh Oai đã có lịch sử hình thành 800 năm.

Năm 1831, vua Minh Mạng lập tỉnh Hà Nội. Huyện Thanh Oai lúc đó thuộc phủ Ứng Hòa của tỉnh Hà Nội. Phủ Ứng Hòa lúc đó, gồm 4 huyện là Sơn Minh, Chương Đức, Thanh Oai, Hoài An.

Năm 1888, Pháp lập ra tỉnh Hà Đông và lúc đó huyện Thanh Oai thuộc tỉnh Hà Đông.

Thời gian 1949 - 1954, huyện Thanh Oai thuộc quận Văn Điển, thành phố Hà nội dưới chính quyền Quốc gia Việt Nam.

Ngày 4 tháng 1 năm 1955, Chính phủ Việt Nam Dân chủ Cộng hòa ban hành Nghị định số 436-TTg giải tán quận Văn Điển do Quốc gia Việt Nam lập ra trong thời gian bị tạm chiếm trả lại cho tỉnh Hà Đông để tổ chức lại hai huyện Thanh Oai và Thanh Trì.

Ngày 20 tháng 4 năm 1961, Kỳ họp thứ 2 - Quốc hội khóa II thông qua Nghị quyết phê chuẩn mở rộng thành phố Hà Nội lần thứ nhất. Theo đó, sáp nhập phần lớn các xã thuộc huyện Thanh Trì, tỉnh Hà Đông vào thành phố Hà Nội.[1]

Ngày 25 tháng 4 năm 1961, hai xã Đại Hưng và Tam Khê được hợp nhất thành một xã lấy tên là xã Tam Hưng.[2]

Ngày 17 tháng 5 năm 1961, Thủ tướng Chính phủ ký Quyết định số 70-CP sáp nhập các xã, các thôn còn lại của huyện Thanh Trì, tỉnh Hà Đông vào các huyện Thường Tín, Thanh Oai và thị xã Hà Đông. Theo đó, 4 xã: Kiến Hưng, Mỹ Hưng, Cự Khê, Hữu Hòa được sáp nhập vào huyện Thanh Oai.

Ngày 21 tháng 4 năm 1965, tỉnh Hà Tây được thành lập theo Nghị quyết của Ủy ban Thường vụ Quốc hội trên cơ sở hợp nhất 2 tỉnh Sơn Tây và Hà Đông. Theo đó, huyện Thanh Oai thuộc tỉnh Hà Tây gồm 26 xã: Bích Hòa, Biên Giang, Bình Minh, Cao Dương, Cao Viên, Cự Khê, Dân Hòa, Đỗ Động, Đồng Mai, Hồng Dương, Hữu Hòa, Kiến Hưng, Kim An, Kim Thư, Liên Châu, Mỹ Hưng, Phú Lãm, Phú Lương, Phương Trung, Tam Hưng, Tân Ước, Thanh Cao, Thanh Mai, Thanh Thùy, Thanh Văn, Xuân Dương.[3]

Ngày 15 tháng 9 năm 1969, sáp nhập xã Kiến Hưng vào thị xã Hà Đông.[4]. Huyện Thanh Oai còn lại 25 xã: Bích Hòa, Biên Giang, Bình Minh, Cao Dương, Cao Viên, Cự Khê, Dân Hòa, Đỗ Động, Đồng Mai, Hồng Dương, Hữu Hòa, Kim An, Kim Thư, Liên Châu, Mỹ Hưng, Phú Lãm, Phú Lương, Phương Trung, Tam Hưng, Tân Ước, Thanh Cao, Thanh Mai, Thanh Thùy, Thanh Văn, Xuân Dương.

Ngày 27 tháng 12 năm 1975, Kỳ họp thứ 2 Quốc hội khóa V thông qua Nghị quyết hợp nhất 2 tỉnh Hà Tây và Hòa Bình thành tỉnh Hà Sơn Bình. Theo đó, huyện Thanh Oai thuộc tỉnh Hà Sơn Bình.[5]

Ngày 29 tháng 12 năm 1978, Kỳ họp thứ 4 Quốc hội khóa VI thông qua Nghị quyết phê chuẩn việc sáp nhập một số huyện, thị xã và thị trấn của tỉnh Hà Sơn Bình vào thành phố Hà Nội.[6]

Ngày 17 tháng 2 năm 1979, Hội đồng Chính phủ ban hành Quyết định số 49-CP về việc điều chỉnh địa giới một số xã, thị trấn của Hà Nội. Theo đó, sáp nhập xã Hữu Hòa vào huyện Thanh Trì.[7] Huyện Thanh Oai còn lại 24 xã: Bích Hòa, Biên Giang, Bình Minh, Cao Dương, Cao Viên, Cự Khê, Dân Hòa, Đỗ Động, Đồng Mai, Hồng Dương, Kim An, Kim Thư, Liên Châu, Mỹ Hưng, Phú Lãm, Phú Lương, Phương Trung, Tam Hưng, Tân Ước, Thanh Cao, Thanh Mai, Thanh Thùy, Thanh Văn, Xuân Dương.

Ngày 12 tháng 8 năm 1991, Kỳ họp thứ 9 Quốc hội khóa VIII thông qua Nghị quyết chia tỉnh Hà Sơn Bình thành hai tỉnh Hòa Bình và Hà Tây. Lúc này huyện Thanh Oai thuộc tỉnh Hà Tây.[8]

Ngày 23 tháng 6 năm 1994, thành lập thị trấn Kim Bài trên cơ sở một phần diện tích và nhân khẩu của 2 xã Kim An, Đỗ Động.[9] Huyện Thanh Oai có thị trấn Kim Bài và 24 xã: Bích Hòa, Biên Giang, Bình Minh, Cao Dương, Cao Viên, Cự Khê, Dân Hòa, Đỗ Động, Đồng Mai, Hồng Dương, Kim An, Kim Thư, Liên Châu, Mỹ Hưng, Phú Lãm, Phú Lương, Phương Trung, Tam Hưng, Tân Ước, Thanh Cao, Thanh Mai, Thanh Thùy, Thanh Văn, Xuân Dương.

Ngày 23 tháng 9 năm 2003, chuyển 2 xã Phú Lương và Phú Lãm về thị xã Hà Đông quản lý.[10]. Huyện Thanh Oai còn lại thị trấn Kim Bài và 22 xã: Bích Hòa, Biên Giang, Bình Minh, Cao Dương, Cao Viên, Cự Khê, Dân Hòa, Đỗ Động, Đồng Mai, Hồng Dương, Kim An, Kim Thư, Liên Châu, Mỹ Hưng, Phương Trung, Tam Hưng, Tân Ước, Thanh Cao, Thanh Mai, Thanh Thùy, Thanh Văn, Xuân Dương.

Ngày 4 tháng 1 năm 2006, sáp nhập một phần diện tích và dân số của thôn Phượng Bãi, xã Phụng Châu, huyện Chương Mỹ vào xã Biên Giang. Chuyển 2 xã Biên Giang và Đồng Mai về thành phố Hà Đông quản lý.[11] Như vậy, huyện Thanh Oai có thị trấn Kim Bài và 20 xã: Bích Hòa, Bình Minh, Cao Dương, Cao Viên, Cự Khê, Dân Hòa, Đỗ Động, Hồng Dương, Kim An, Kim Thư, Liên Châu, Mỹ Hưng, Phương Trung, Tam Hưng, Tân Ước, Thanh Cao, Thanh Mai, Thanh Thùy, Thanh Văn, Xuân Dương.

Từ ngày 1 tháng 8 năm 2008, giải thể toàn bộ tỉnh Hà Tây theo Nghị quyết của Kỳ họp thứ 3 Quốc hội khóa XII ngày 29 tháng 5 năm 2008. Theo đó, huyện Thanh Oai thuộc Hà Nội.[12]