Thời thuộc Hán (năm 111 TCN đến năm 210), vùng đất Thọ Xuân thuộc huyện Tư Phố; từ năm 581 đến năm 905 thuộc huyện Di Phong, và sau đó thuộc huyện Trường Lâm.

Thời Trần, Thọ Xuân thuộc huyện Cổ Lôi. Từ năm 1466, Thọ Xuân có tên là Lôi Dương. Ðến thế kỷ XV, Thọ Xuân là căn cứ của nghĩa quân Lam Sơn. Thọ Xuân là nơi sinh dưỡng nhiều vị vua sáng tôi hiền như: Lê Ðại Hành, Lê Thái Tổ, Lê Thái Tông; Nguyễn Trãi, Trần Nguyên Hãn, Lê Văn Linh, Trịnh Khắc Phục,...

Thời Nguyễn năm 1826, huyện Lôi Dương tách khỏi phủ Thiệu Hóa (trước là Thiệu Thiên) nhập vào phủ Thọ Xuân (trước là phủ Thanh Đô, do có huyện Thọ Xuân - tức Thường Xuân ngày nay). Lỵ sở phủ Thọ Xuân trước năm 1895 đóng ở Thịnh Mỹ (nay thuộc xã Thọ Diên), sau dời về Xuân Phố (Xuân Trường ngày nay). Thọ Xuân cũng là căn cứ chống Pháp vào thời kỳ phong trào Cần Vương.

Sau Cách mạng Tháng Tám 1945, bỏ phủ Thọ Xuân, đổi huyện Lôi Dương thành huyện Thọ Xuân, huyện Thụy Nguyên đổi thành huyện Thiệu Hóa. Huyện Thọ Xuân khi đó gồm 50 xã: Bắc Lương, Hạnh Phúc, Nam Giang, Phú Yên, Quảng Phú, Tây Hồ, Thọ Bình, Thọ Cường, Thọ Dân, Thọ Diên, Thọ Hải, Thọ Lâm, Thọ Lập, Thọ Lộc, Thọ Minh, Thọ Ngọc, Thọ Nguyên, Thọ Phú, Thọ Sơn, Thọ Tân, Thọ Thế, Thọ Tiến, Thọ Trường, Thọ Vực, Thọ Xương, Xuân Bái, Xuân Châu, Xuân Giang, Xuân Hòa, Xuân Hưng, Xuân Khánh, Xuân Lai, Xuân Lam, Xuân Lập, Xuân Lộc, Xuân Minh, Xuân Phong, Xuân Phú, Xuân Quang, Xuân Sơn, Xuân Tân, Xuân Thắng, Xuân Thành, Xuân Thiên, Xuân Thịnh, Xuân Thọ, Xuân Tín, Xuân Trường, Xuân Vinh, Xuân Yên.

Ngày 16 tháng 12 năm 1964, một phần huyện Thọ Xuân (gồm 13 xã: Thọ Bình, Thọ Cường, Thọ Dân, Thọ Ngọc, Thọ Phú, Thọ Sơn, Thọ Tân, Thọ Thế, Thọ Tiến, Thọ Vực, Xuân Lộc, Xuân Thịnh, Xuân Thọ) được tách ra để sáp nhập với một phần huyện Nông Cống để thành lập huyện Triệu Sơn.[1]

Huyện Thọ Xuân còn lại 37 xã: Bắc Lương, Hạnh Phúc, Nam Giang, Phú Yên, Quảng Phú, Tây Hồ, Thọ Diên, Thọ Hải, Thọ Lâm, Thọ Lập, Thọ Lộc, Thọ Minh, Thọ Nguyên, Thọ Trường, Thọ Xương, Xuân Bái, Xuân Châu, Xuân Giang, Xuân Hòa, Xuân Hưng, Xuân Khánh, Xuân Lai, Xuân Lam, Xuân Lập, Xuân Minh, Xuân Phong, Xuân Phú, Xuân Quang, Xuân Sơn, Xuân Tân, Xuân Thắng, Xuân Thành, Xuân Thiên, Xuân Tín, Xuân Trường, Xuân Vinh, Xuân Yên.

Ngày 9 tháng 12 năm 1965, thành lập thị trấn Thọ Xuân, thị trấn huyện lỵ huyện Thọ Xuân.

Ngày 8 tháng 3 năm 1967, thành lập thị trấn nông trường Sao Vàng trực thuộc huyện Thọ Xuân.[2]

Ngày 23 tháng 10 năm 1978, sáp nhập ba xã Xuân Thành, Hạnh Phúc, Bắc Lương thành xã Thọ Thành.[3]

Ngày 2 tháng 10 năm 1981, chia xã Thọ Thành trở lại thành ba xã: Xuân Thành, Hạnh Phúc, Bắc Lương.[4]

Ngày 5 tháng 1 năm 1987, thành lập xã Thọ Thắng.

Ngày 7 tháng 2 năm 1991, thành lập thị trấn Lam Sơn.

Tháng 8 năm 1999, giải thể thị trấn nông trường Sao Vàng để thành lâp thị trấn Sao Vàng.

Ngày 31 tháng 5 năm 2018, Bộ Xây dựng đã công nhận đô thị Lam Sơn – Sao Vàng và khu vực mở rộng, huyện Thọ Xuân, tỉnh Thanh Hóa đạt tiêu chí đô thị loại IV.

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[5]. Theo đó:

• Sáp nhập xã Hạnh Phúc vào thị trấn Thọ Xuân
• Sáp nhập xã Xuân Lam vào thị trấn Lam Sơn
• Sáp nhập xã Xuân Thắng vào thị trấn Sao Vàng
• Sáp nhập xã Thọ Thắng vào xã Xuân Lập
• Hợp nhất hai xã Xuân Sơn và Xuân Quang thành xã Xuân Sinh
• Hợp nhất ba xã Xuân Khánh, Thọ Nguyên, Xuân Thành thành xã Xuân Hồng
• Hợp nhất ba xã Xuân Tân, Xuân Vinh, Thọ Trường thành xã Trường Xuân
• Hợp nhất hai xã Phú Yên và Xuân Yên thành xã Phú Xuân
• Hợp nhất hai xã Thọ Minh và Xuân Châu thành xã Thuận Minh.

Huyện Thọ Xuân có 3 thị trấn và 27 xã như hiện nay.