Trước đây, phường Thu Thủy là một phần thuộc thị trấn Cửa Lò cũ của huyện Nghi Lộc.

Ngày 29 tháng 8 năm 1994, Chính phủ ban hành Nghị định 113-CP năm 1994 về việc thành lập thị xã Cửa Lò thuộc tỉnh Nghệ An.[3] Theo đó, thành lập phường Thu Thủy trên cơ sở phần còn lại của thị trấn Cửa Lò gồm 98 hécta diện tích tự nhiên với nhân khẩu 5.200.