Thiệu Hóa ngày nay được kiến tạo từ hai vùng đất thuộc huyện Quân Ninh và huyện Tư Phố trong quận Cửu Chân. Dấu tích thành Tư Phố - trị sở của quận và lỵ sở của huyện, điểm hội tụ, đầu mối giao thông thủy - bộ của cả khu vực hiện vẫn còn tại làng Giàng (Dương Xá - Thiệu Dương).

Sang thời Lý - Trần, các huyện trên đổi tên là Lương Giang và Cửu Chân. Đến thời Lê, các tên gọi Thụy Nguyên và Đông Sơn lần lượt được sử dụng.

Sở dĩ Quân Ninh được gọi là Lương Giang vì có sông Lương (tên khác nữa là sông Lường), tên gọi cũ của sông Chu. Đến thế kỷ XV, vào đầu thời Lê Thuận Thiên (năm 1428), do là nơi phát tích của nhà Lê nên triều đình đem đất này đặt làm Tây Kinh và đổi tên huyện là Thuỵ Ứng. Khi Lê Thánh Tông định bản đồ, đưa huyện lỵ vào phủ Thiệu Thiên, lấy lại tên cũ là Lương Giang. Đời Đoan Khánh đổi tên thành huyện Thuỵ Nguyên.

Thời Nguyễn, dưới triều Gia Long, huyện lỵ dời về Mật Vật. Dưới thời Minh Mạng đóng ở Kiến Trung (nay thuộc thị trấn Thiệu Hóa). Năm 1815, phủ Thiệu Thiên đổi tên thành phủ Thiệu Hóa.

Sau Cách mạng tháng Tám thành công, phủ Thiệu Hóa được đổi thành huyện Thiệu Hóa. Ngày 5-7-1977, Hội đồng Chính phủ đã ra Quyết định số 177/CP về việc giải thể huyện Thiệu Hóa. 15 xã nằm trong vùng tả ngạn sông Chu sáp nhập vào huyện Yên Định, lập ra huyện mới mang tên Thiệu Yên. 16 xã còn lại ở hữu ngạn sông Chu sáp nhập vào huyện Đông Sơn, lập ra huyện Đông Thiệu (tuy nhiên đến năm 1982 lại đổi về tên cũ là Đông Sơn).

Ngày 18 tháng 11 năm 1996, huyện Thiệu Hóa được tái lập theo Nghị định số 72/CP của Chính phủ. Ngày 1 tháng 1 năm 1997, địa giới và tổ chức hành chính trở lại như Thiệu Hóa của 20 năm trước đây, gồm 31 xã: Thiệu Châu, Thiệu Chính, Thiệu Công, Thiệu Đô, Thiệu Dương, Thiệu Duy, Thiệu Giang, Thiệu Giao, Thiệu Hòa, Thiệu Hợp, Thiệu Hưng, Thiệu Khánh, Thiệu Long, Thiệu Lý, Thiệu Minh, Thiệu Ngọc, Thiệu Nguyên, Thiệu Phú, Thiệu Phúc, Thiệu Quang, Thiệu Tâm, Thiệu Tân, Thiệu Thành, Thiệu Thịnh, Thiệu Tiến, Thiệu Toán, Thiệu Trung, Thiệu Vân, Thiệu Vận, Thiệu Viên, Thiệu Vũ.

Ngày 30 tháng 10 năm 2000, giải thể xã Thiệu Hưng để thành lập thị trấn Vạn Hà - thị trấn huyện lỵ huyện Thiệu Hóa.

Ngày 29 tháng 2 năm 2012, một phần diện tích và dân số với 14,97 km² và 26.098 người của huyện Thiệu Hóa (gồm các xã Thiệu Dương, Thiệu Khánh, Thiệu Vân) được chuyển về thành phố Thanh Hóa.[1]

Ngày 16 tháng 10 năm 2019, Ủy ban Thường vụ Quốc hội thông qua Nghị quyết số 786/NQ-UBTVQH14 về việc sắp xếp các đơn vị hành chính cấp xã thuộc tỉnh Thanh Hóa[3]. Theo đó:

• Sáp nhập hai xã Thiệu Minh và Thiệu Tâm thành xã Minh Tâm
• Sáp nhập hai xã Thiệu Tân và Thiệu Châu thành xã Tân Châu
• Sáp nhập xã Thiệu Đô và thị trấn Vạn Hà thành thị trấn Thiệu Hóa.

Huyện Thiệu Hóa có 1 thị trấn và 24 xã như hiện nay.