Vùng đất thuộc tỉnh Thái Bình ngày nay, vào thời Bắc Thuộc trước thế kỉ 10, thuộc hương Đa Cương (vùng đất từ sông Luộc ra đến biển) của quận Giao Chỉ. Thời 12 sứ quân vùng đất này là căn cứ của sứ quân Trần Lãm. Tới nhà Hậu Lê, thời vua Lê Thánh Tông về sau vùng đất Thái Bình ngày nay thuộc trấn Sơn Nam. Đến cuối thời nhà Lê trung hưng sang đầu nhà Nguyễn, vùng này thuộc trấn Sơn Nam Hạ. Năm 1832, vua Minh Mạng nhà Nguyễn cắt hai phủ Thái Bình, Kiến Xương nhập vào tỉnh Nam Định, nhập phủ Tiên Hưng vào tỉnh Hưng Yên.

Ngày 21 tháng 3 năm 1890, Toàn quyền Đông Dương ra nghị định thành lập tỉnh Thái Bình, gồm phủ Thái Bình, phủ Kiến Xương (tách từ tỉnh Nam Định) và huyện Thần Khê (tách từ tỉnh Hưng Yên và sáp nhập vào phủ Thái Bình - sau đổi tên là phủ Thái Ninh). Tỉnh lỵ đặt tại phủ lỵ Kiến Xương, bờ nam sông Trà Lý. Vị trí này nằm trên đường Hải Phòng- Nam Định nhưng chỉ cách Nam Định 17 km nên người dân nơi đây thường đi phà Tân Đệ (sau này là cầu) sang Nam Định mua các thứ cần thiết.

Ngày 28 tháng 11 năm 1894, Toàn quyền Đông Dương ra nghị định cắt hai huyện Hưng Nhân và Duyên Hà thuộc phủ Tiên Hưng, tỉnh Hưng Yên sáp nhập vào tỉnh Thái Bình; lấy sông Luộc làm ranh giới giữa hai tỉnh Hưng Yên và Thái Bình. Như vậy lúc mới thành lập, tỉnh Thái Bình gồm có 3 phủ Kiến Xương, Thái Ninh, Tiên Hưng với tổng cộng là 12 huyện Đông Quan, Duyên Hà, Hưng Nhân, Trực Định, Phụ Dực, Quỳnh Côi, Thanh Quan, Thư Trì, Thụy Anh, Tiền Hải, Thần Khê, Vũ Tiên.

Sau đó, bỏ cấp phủ, các huyện có sở lỵ phủ thì đổi theo tên của phủ kiêm quản trước đó: Thanh Quan thành Thái Ninh, Trực Định thành Kiến Xương, Thần Khê thành Tiên Hưng.

Tỉnh lị tỉnh Thái Bình khi mới thành lập năm 1890, đặt tại xã Kỳ Bố, trước là huyện lỵ của huyện Vũ Tiên (từ thời Minh Mạng). Sau này, tỉnh lỵ Thái Bình phát triển mở rộng sang các huyện lân cận thành thị xã Thái Bình, rồi thành thành phố Thái Bình.

Sau năm 1954, tỉnh Thái Bình có 13 đơn vị hành chính gồm thị xã Thái Bình và 12 huyện: Đông Quan, Duyên Hà, Hưng Nhân, Kiến Xương, Phụ Dực, Quỳnh Côi, Thái Ninh, Thư Trì, Thụy Anh, Tiền Hải, Tiên Hưng, Vũ Tiên.

Ngày 17 tháng 6 năm 1969, 2 huyện Đông Quan và Tiên Hưng hợp nhất thành huyện Đông Hưng; 2 huyện Hưng Nhân, Duyên Hà và 5 xã: Bắc Sơn, Đông Đô, Hòa Bình, Chi Lăng và Tây Đô của huyên Tiên Hưng hợp nhất thành huyện Hưng Hà; 2 huyện Quỳnh Côi và Phụ Dực hợp nhất thành huyện Quỳnh Phụ; 2 huyện Thái Ninh và Thụy Anh hợp nhất thành huyện Thái Thụy; 2 huyện Vũ Tiên và Thư Trì hợp nhất thành huyện Vũ Thư. tỉnh Thái Bình còn 1 thị xã và 7 huyện.

Ngày 29 tháng 4 năm 2004, chuyển thị xã Thái Bình thành thành phố Thái Bình.[9]

Ngày 13 tháng 12 năm 2007, mở rộng thành phố Thái Bình trên cơ sở sáp nhập một số xã thuộc các huyện Vũ Thư, Kiến Xương, Đông Hưng.[10]

Năm 2014, thành phố Thái Bình được công nhận là đô thị loại II.