Cách ngày nay trên 10 vạn năm, phần lớn vùng đất Thạch Hà bây giờ còn là biển. Sau đó “biển lùi”, nước đại dương hạ thấp xuống 120m, rồi “biển tiến”, đưa mức nước lên như hiện nay. Ấy là vào thời đại của Vượn Người, cách ngày nay vài vạn năm. Từ một vùng biển được phù sa núi và cát biển bồi lấp, tạo thành địa hình Thạch Hà nhìn chung không mấy phức tạp.

Thạch Hà là một vùng đất cổ, con người đã có mặt ở đây từ thời hậu kỳ Đá Mới, cách ngày nay khoảng 4800 năm. Thời xa xưa, đất Thạch Hà nằm trong bộ lạc Việt Thường, nước cổ Văn Lang. Thời Bắc thuộc vào giữa thế kỷ thứ VII, nhà Đường cắt phần đất phía nam Hoan Châu, lập châu ki mi (cai quản lỏng lẻo) Phúc Lộc – Đường Lâm gồm phần đất phía nam tỉnh Hà Tĩnh ngày nay.

Thời xưa, Thạch Hà là vùng đất thuộc châu Cửu Đức, rồi Hoan Châu, Nghệ An châu, Nghệ An phủ, Nghệ An thừa tuyên.

Thạch Hà nằm trong châu/quận Phúc Lộc – Đường Lâm. Đầu thời tự chủ nhà Tiền Lê lấy phần phía đông châu Phúc Lộc – Đường Lâm xưa, đặt châu Thạch Hà. Tên Thạch Hà có từ đó, và được chép vào sử sách (Việt sử lược, Đại Việt sử ký toàn thư…) sớm nhất vào những năm 1005 và 1009, cách ngày nay trên 1000 năm. Nhà Lý đặt trại Định Phiên và lấy phần đất phía bắc châu Thạch Hà lập huyện Thạch Hà.

Cho đến đầu thời tự chủ, thế kỷ X, vùng nam Hà Tĩnh ngày nay vẫn còn hoang vắng, rừng rậm đầm lầy, núi non hiểm trở, dân cư thưa thớt. Nhà Lý bắt đầu khai thác vùng hạ bạn, nhưng mãi đến cuối đời Trần, đầu đời Lê thì làng xóm mới đông đúc. Người từ vùng sông Hồng, sông Mã, bắc sông Cả di cư vào ngày càng nhiều, một bộ phận dừng lại ở đây rồi tiếp tục đi mở nước ở phương Nam.

Địa bàn huyện Thạch Hà từ đời Lý cho đến đầu thế kỷ XX ở vào khoảng giữa sông Nghèn–Hà Hoàng và sông Rào Cấy (sông Nài).

Nhà hậu Trần, rồi nghĩa quân Lam Sơn lấy đất nam Nghệ An, từ sông Cả trở vào, làm hậu cứ chống quân xâm lược nhà Minh. Sau chiến thắng, vùng này trở thành chỗ dựa vững chắc của nhà Lê, và sau đó là của chế độ Lê – Trịnh. Trong hai cuộc nội chiến Lê – Mạc, Trịnh – Nguyễn, đất Thạch Hà nổi tiếng với rất nhiều dòng họ thế tướng, tiêu biểu là họ Ngô Trảo Nha, họ Võ Hà Hoàng, họ Nguyễn Phi Thạch Long… Việc học hành cũng phát triển khá nhanh, Thạch Hà trở thành đất khai khoa của vùng Hà Tĩnh dưới triều Lê; còn là một vùng văn hóa dân gian đặc sắc, là quê gốc của hát Giặm và hát Ả Đào.

Đời Trần – Hồ và thời thuộc Minh, vùng này có những thay đổi về tên gọi, nhưng đến năm Quang thuận thứ 10 (1469) vua Lê Thánh Tông định bản đồ cả nước, tên huyện Thạch Hà được khôi phục và tồn tại đến ngày nay. Dưới thời Lê – Mạc, huyện Thạch Hà thuộc phủ Hà Hoa, xứ/ trấn Nghệ An.

Năm Tân Mão, năm Minh Mệnh thứ 42 (1831) nhà Nguyễn cắt phần đất phía nam trấn Nghệ An gồm 2 phủ, 6 huyện lập tỉnh Hà Tĩnh. Thạch Hà vẫn thuộc phủ Hà Hoa (từ 1841 là Hà Thanh). Năm đầu Khải Định (1916) bỏ phủ Hà Thanh, Thạch Hà được nâng lên thành phủ. Sau cách mạng tháng 8-1945, bỏ phủ, lấy lại tên huyện Thạch Hà cho đến nay.

Từ thời nhà Hậu Lê đến đầu thời kỳ nhà Nguyễn, huyện Thạch Hà thuộc phủ Hà Hoa (bao gồm: Thạch Hà, Cẩm Xuyên, Kỳ Anh), xứ Nghệ An.

Đời vua Lê Thánh Tông, năm 1469, Thạch Hà có 31 xã. Đời Nguyễn Minh mệnh có 7 tổng, 54 xã, thôn, trang, sở, giáp, đội, vạn. Đời Tự Đức (năm 1853), có 7 tổng, 51 xã, thôn, trang, vạn. Năm 1921 đời Khải Định cắt tổng Đoài gồm 21 xã thôn của Thạch Hà chuyển cho Can Lộc, và nhận của Can Lộc 2 tổng Canh Hoạch và Vĩnh Luật gồm 27 xã, thôn, phường, vạn. Thạch Hà có 8 tổng, 57 xã, thôn, phường, vạn… Đến năm 1942, theo tài liệu của Tòa công sứ Pháp, Thạch Hà có 8 tổng, gồm 85 xã, thôn.

Năm 1831, vùng phía nam sông Lam của trấn Nghệ An tách ra thành lập tỉnh Hà Tĩnh thì một phần đất của Thạch Hà trở thành tỉnh lỵ, nay là thành phố Hà Tĩnh.

Năm 1919, chính quyền thực dân phong kiến bỏ cấp phủ thì huyện Thạch Hà là một đơn vị hành chính trực thuộc tỉnh Hà Tĩnh.

Từ xưa, Thạch Hà đã nổi tiếng với đặc sản những vùng chuyên canh: mía mật Kẻ Dà (Cổ Kênh), khoai lang Ngọc Điền – Ngọc Lũy, chè Hương Bộc, hồng Đồng Lộ...với sản phẩm chế biến có giá trị: Rượu Cày, nước mắm Sót, ruốc Đan Trản, muối Hộ Độ...Thạch Hà còn nổi tiếng với các sản phẩm thủ công – mỹ nghệ của các làng nghề truyền thống: Đồ đồng Đức Lâm, đồ vàng bạc Nam Trị, đồ tre đan Đan Chế, nón Ba Giang, vải Đồng Môn, thợ mộc Cổ Kinh, thợ ngõa Đình Hòe…

Trong công cuộc chống thực dân Pháp xâm lược, giải phóng dân tộc, Thạch Hà cũng nổi lên nhiều tên tuổi đáng kính phục: Bùi Thố, Nguyễn Cao Đôn, Nguyễn Huy Thuận… (thời Cần vương), Ngô Đức Kế, Đặng Văn Bá (thời Duy tân – Đông du), Nguyễn Thiếp, Lý Tự Trọng (thời Xô-viết Nghệ Tĩnh).

Sau cách mạng Tháng Tám, địa bàn thu hẹp dần. Năm 1945-1946, Thạch Hà chuyển cho Can Lộc 3 thôn thuộc tổng Đông và 3 thôn thuộc tổng Canh Hoạch; số 79 xã, thôn còn lại hợp thành 26 xã. Năm 1950-1951, 26 xã lại hợp thành 17 xã lớn. Năm 1954, 17 xã lớn chia thành 44 xã nhỏ; chia xã Linh Đài thành 3 xã: Thạch Linh, Thạch Xuân, Thạch Đài; chia xã Đồng Môn thành 2 xã: Thạch Đồng và Thạch Môn; chia xã Thăng Bình thành 3 xã: Thạch Bình, Thạch Tân, Thạch Hòa; chia xã Quang Lĩnh thành 3 xã: Thạch Hạ, Thạch Thượng, Thạch Trung; chia xã Hợp Tiến thành 2 xã: Thạch Tiến và Thạch Thanh; chia xã Đồng Tiến thành 4 xã: Thạch Hội, Thạch Trị, Thạch Lạc, Thạch Văn.[1]

Ngày 1 tháng 10 năm 1965, Bộ Nội vụ ban hành Quyết định số 356-NV thành lập xã Thạch Bàn trên cơ sở phần diện tích khai hoang và một số xóm của xã Thạch Đỉnh.[2]

Năm 1971, đổi tên xã Thạch Hòa thành xã Đại Nài.

Năm 1976, huyện Thạch Hà thuộc tỉnh Nghệ Tĩnh, gồm thị trấn nông trường Thạch Ngọc và 45 xã: Đại Nài, Hộ Độ, Mai Phụ, Phù Việt, Thạch Bàn, Thạch Bằng, Thạch Bình, Thạch Châu, Thạch Đài, Thạch Điền, Thạch Đỉnh, Thạch Đồng, Thạch Hạ, Thạch Hải, Thạch Hội, Thạch Hưng, Thạch Hương, Thạch Kênh, Thạch Khê, Thạch Kim, Thạch Lạc, Thạch Lâm, Thạch Liên, Thạch Linh, Thạch Long, Thạch Lưu, Thạch Môn, Thạch Mỹ, Thạch Ngọc, Thạch Phú, Thạch Quý, Thạch Sơn, Thạch Tân, Thạch Thắng, Thạch Thanh, Thạch Thượng, Thạch Tiến, Thạch Trị, Thạch Trung, Thạch Văn, Thạch Vĩnh, Thạch Xuân, Thạch Yên, Tượng Sơn, Việt Xuyên.

Ngày 23 tháng 2 năm 1977, sáp nhập xóm Hạ Lưu của xã Thạch Lưu vào xã Thạch Thượng.[3]

Ngày 9 tháng 11 năm 1983, chia xã Thạch Hương thành 2 xã Thạch Hương và Nam Hương.

Ngày 19 tháng 8 năm 1985, thành lập thị trấn Cày trên cơ sở điều chỉnh một phần diện tích tự nhiên và nhân khẩu của các xã Thạch Thượng và Thạch Trung.

Ngày 19 tháng 11 năm 1985, thành lập xã Bắc Sơn trên cơ sở điều chỉnh một phần diện tích tự nhiên và nhân khẩu của các xã Thạch Vĩnh và Thạch Lưu.[4]

Ngày 22 tháng 7 năm 1989, chuyển 6 xã: Đại Nài, Thạch Linh, Thạch Phú, Thạch Quý, Thạch Trung, Thạch Yên về thị xã Hà Tĩnh quản lý.

Huyện Thạch Hà có thị trấn Cày, thị trấn nông trường Thạch Ngọc và 41 xã: Bắc Sơn, Hộ Độ, Mai Phụ, Nam Hương, Phù Việt, Thạch Bàn, Thạch Bằng, Thạch Bình, Thạch Châu, Thạch Đài, Thạch Điền, Thạch Đỉnh, Thạch Đồng, Thạch Hạ, Thạch Hải, Thạch Hội, Thạch Hưng, Thạch Hương, Thạch Kênh, Thạch Khê, Thạch Kim, Thạch Lạc, Thạch Lâm, Thạch Liên, Thạch Long, Thạch Lưu, Thạch Môn, Thạch Mỹ, Thạch Ngọc, Thạch Sơn, Thạch Tân, Thạch Thắng, Thạch Thanh, Thạch Thượng, Thạch Tiến, Thạch Trị, Thạch Văn, Thạch Vĩnh, Thạch Xuân, Tượng Sơn, Việt Xuyên.

Năm 1991, huyện Thạch Hà thuộc tỉnh Hà Tĩnh vừa tái lập.

Ngày 28 tháng 5 năm 2001, sáp nhập thị trấn Cày với xã Thạch Thượng thành thị trấn Thạch Hà.

Ngày 2 tháng 1 năm 2004, sáp nhập 5 xã: Thạch Hạ, Thạch Môn, Thạch Đồng, Thạch Hưng, Thạch Bình vào thị xã Hà Tĩnh (nay là thành phố Hà Tĩnh); giải thể thị trấn nông trường Thạch Ngọc để thành lập xã Ngọc Sơn.

Đến cuối năm 2006, huyện Thạch Hà có 36 xã: Bắc Sơn, Hộ Độ, Mai Phụ, Nam Hương, Ngọc Sơn, Phù Việt, Thạch Bàn, Thạch Bằng, Thạch Châu, Thạch Đài, Thạch Điền, Thạch Đỉnh, Thạch Hải, Thạch Hội, Thạch Hương, Thạch Kênh, Thạch Khê, Thạch Kim, Thạch Lạc, Thạch Lâm, Thạch Liên, Thạch Long, Thạch Lưu, Thạch Mỹ, Thạch Ngọc, Thạch Sơn, Thạch Tân, Thạch Thắng, Thạch Thanh, Thạch Tiến, Thạch Trị, Thạch Văn, Thạch Vĩnh, Thạch Xuân, Tượng Sơn, Việt Xuyên và thị trấn Thạch Hà.

Ngày 7 tháng 2 năm 2007, tách 6 xã: Thạch Kim, Thạch Bằng, Thạch Châu, Mai Phụ, Hộ Độ, Thạch Mỹ để thành lập huyện Lộc Hà.

Ngày 21 tháng 11 năm 2019, Ủy ban Thường vụ Quốc hội ban hành Nghị quyết số 819/NQ-UBTVQH14[5]. Theo đó:

• Sáp nhập xã Thạch Lâm, xã Thạch Tân và xã Thạch Hương thành xã Tân Lâm Hương
• Sáp nhập xã Phù Việt, xã Việt Xuyên và Thạch Tiến thành xã Việt Tiến
• Sáp nhập xã Thạch Lưu, xã Thạch Vĩnh và xã Bắc Sơn thành xã Lưu Vĩnh Sơn
• Sáp nhập xã Nam Hương và xã Thạch Điền thành xã Nam Điền
• Sáp nhập xã Thạch Đỉnh và xã Thạch Bàn thành xã Đỉnh Bàn
• Sáp nhập xã Thạch Thanh vào thị trấn Thạch Hà.

Huyện Thạch Hà có 1 thị trấn và 21 xã như hiện nay.