Thời thuộc Hán là miền đất thuộc huyện Dư Phát. Thời Tam Quốc - Lưỡng Tấn - Nam Bắc Triều là miền đất thuộc huyện Phù Lạc. Thời Tuỳ - Ðường, Ðinh - Lê - Lý là miền đất thuộc huyện Nhật Nam[3]

Thời Trần - Hồ, miền đất này nằm trong hai huyện Tế Giang và Yên Lạc. Vì thế, huyện Thạch Thành ngày nay được hình thành từ hai huyện Tế Giang và Yên Lạc thời Trần - Hồ mà thành. Quá trình hình thành và sáp nhập diễn ra như sau:

• Huyện Yên Lạc thời Lê Quang Thuận (năm 1460) đặt là huyện Thạch Thành, cho lệ vào phủ Thiệu Thiên (nay là phần đất thuộc đông nam huyện Thạch Thành bây giờ).
• Huyện Tế Giang thuộc lưu vực sông Bưởi (còn gọi là sông Bảo, sông Tế Giang). Ðời Lê Quang Thuận đổi tên Tế Giang thành Bình Giang, đời Trung Hưng gọi là huyện Quảng Bình. Thời Tây Sơn đổi là huyện Quảng Bằng. Ðầu thời Nguyễn đổi lại thành huyện Quảng Bình. Năm Minh Mạng thứ 2 (năm 1821), đổi tên thành Quảng Ðịa, sau lại đổi tên là huyện Quảng Tế[3].

Năm Thành Thái thứ 1 (năm 1889) nhập huyện Quảng Tế vào huyện Thạch Thành và hình thành huyện Thạch Thành ngày nay.

Sau năm 1945, bỏ cấp phủ, châu, gọi chung là huyện. Huyện Thạch Thành khi đó gồm có 23 xã: Ngọc Trạo, Thạch Bình, Thạch Cẩm, Thạch Định, Thạch Đồng, Thạch Lâm, Thạch Long, Thạch Quảng, Thạch Sơn, Thạch Tượng, Thành An, Thành Công, Thành Hưng, Thành Kim, Thành Long, Thành Minh, Thành Tâm, Thành Tân, Thành Thọ, Thành Tiến, Thành Trực, Thành Vân, Thành Yên.

Ngày 25 tháng 4 năm 1967, thành lập thị trấn nông trường Thạch Thành.[4]

Ngày 24 tháng 5 năm 1967, chia xã Thành Yên thành 2 xã: Thành Yên và Thành Mỹ; chia xã Thành Minh thành 2 xã: Thành Minh và Thành Vinh.

Năm 1977, sáp nhập hai huyện Thạch Thành và Vĩnh Lộc thành huyện Vĩnh Thạch.

Ðến năm 1982, lại tách thành hai huyện như cũ.

Ngày 23 tháng 11 năm 1990, thành lập thị trấn Kim Tân, thị trấn huyện lỵ huyện Thạch Thành từ phần đất của các xã Thành Kim và Thành Tân. Tên thị trấn được ghép từ tên của hai xã này.

Ngày 9 tháng 1 năm 2004, giải thể thị trấn nông trường Vân Du để thành lập thị trấn Vân Du; giải thể thị trấn nông trường Thạch Thành để thành lập xã Thạch Tân.

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. Theo đó, sáp nhập xã Thành Vân vào thị trấn Vân Du, sáp nhập xã Thạch Tân vào xã Thạch Bình, sáp nhập xã Thành Kim vào thị trấn Kim Tân.[5]