Địa bàn xã Thanh Thịnh hiện nay trước đây vốn là hai xã Thanh Bình và Nông Thịnh thuộc huyện Chợ Mới.

Xã Thanh Bình được đổi tên từ xã Hiệp Lực và xã Nông Thịnh được đổi tên từ xã Việt Thắng vào ngày 12 tháng 5 năm 1964 theo Quyết định số 150-NV của Bộ Nội vụ.[3]

Trước khi sáp nhập, xã Thanh Bình có diện tích 28,00 km², dân số khoảng 1.989 người, mật độ dân số đạt 71 người/km², có 10 thôn, bản: Nà Ba, Nà Quang, Bản Chàng, Nà Nâm, Khổi Tai, Khuổi Lót, Bản Áng, Cốc Po, Khuổi Nhầu, Nà Chiêm. Xã Nông Thịnh có diện tích 23,51 km², dân số là 1.876 người, mật độ dân số đạt 80 người/km², có 7 thôn, bản: Nà Giảo, Nà Ngài, Còn, Nà Đeo, Cảm Lẹng, Khe Lắc, Nà Ó.

Ngày 10 tháng 1 năm 2020, Ủy ban Thường vụ Quốc hội ban hành Nghị quyết số 855/NQ-UBTVQH14 về việc sắp xếp các đơn vị hành chính cấp xã thuộc tỉnh Bắc Kạn (nghị quyết có hiệu lực từ ngày 1 tháng 2 năm 2020)[1]. Theo đó, sáp nhập toàn bộ diện tích và dân số của hai xã Thanh Bình và Nông Thịnh thành xã Thanh Thịnh.