Trước đây, huyện Thủy Nguyên thuộc tỉnh Quảng Yên.

Ngày 4 tháng 3 năm 1950, huyện Thủy Nguyên được trả về tỉnh Kiến An.

Ngày 27 tháng 10 năm 1962, tỉnh Kiến An được sáp nhập vào thành phố Hải Phòng, huyện Thủy Nguyên trực thuộc thành phố Hải Phòng, khi đó huyện có 33 xã: An Lư, An Sơn, Cao Nhân, Chính Mỹ, Đông Sơn, Dương Quan, Hòa Bình, Hoa Động, Hoàng Động, Hợp Thành, Kênh Giang, Kiền Bái, Kỳ Sơn, Lại Xuân, Lâm Động, Lập Lễ, Liên Khê, Lưu Kiếm, Minh Đức, Minh Tân, Mỹ Đồng, Ngũ Lão, Phả Lễ, Phù Ninh, Phục Lễ, Quảng Thanh, Tam Hưng, Tân Dương, Thiên Hương, Thủy Đường, Thủy Sơn, Thủy Triều, Trung Hà.

Ngày 15 tháng 7 năm 1983, thành lập 2 xã Gia Đức và Gia Minh thuộc vùng kinh tế mới.

Ngày 18 tháng 3 năm 1986, thành lập thị trấn Núi Đèo - thị trấn huyện lị huyện Thủy Nguyên - trên cơ sở 55,62 ha đất với 2.615 nhân khẩu của xã Thủy Sơn và 36,55 ha đất với 620 nhân khẩu của xã Thủy Đường; chuyển xã Minh Đức thành thị trấn Minh Đức.

Ngày 10 tháng 1 năm 2004, thành lập xã Lưu Kỳ trên cơ sở điều chỉnh một phần diện tích tự nhiên và dân số của xã Lưu Kiếm.