Huyện được thành lập ngày 16 tháng 12 năm 1964 trên cơ sở tách 13 xã: Thọ Ngọc, Thọ Tiến, Thọ Cường, Thọ Bình, Thọ Dân, Thọ Tân, Thọ Phú, Thọ Vực, Thọ Sơn, Thọ Thế, Xuân Thịnh, Xuân Thọ, Xuân Lộc thuộc huyện Thọ Xuân và 20 xã: Hợp Tiến, Hợp Thắng, Hợp Lý, Hợp Thành, Minh Châu, Minh Dân, Minh Sơn, Dân Lý, Dân Lực, Dân Quyền, An Nông, Vân Sơn, Nông Trường, Tiến Nông, Khuyến Nông, Thái Hòa, Tân Ninh, Đồng Tiến, Đồng Thắng, Đồng Lợi thuộc huyện Nông Cống.

Khi mới thành lập, huyện có 33 xã: An Nông, Dân Lực, Dân Lý, Dân Quyền, Đồng Lợi, Đồng Thắng, Đồng Tiến, Hợp Lý, Hợp Thắng, Hợp Thành, Hợp Tiến, Khuyến Nông, Minh Châu, Minh Dân, Minh Sơn, Nông Trường, Tân Ninh, Thái Hòa, Thọ Bình, Thọ Cường, Thọ Dân, Thọ Ngọc, Thọ Phú, Thọ Sơn, Thọ Tân, Thọ Thế, Thọ Tiến, Thọ Vực, Tiến Nông, Văn Sơn, Xuân Lộc, Xuân Thịnh, Xuân Thọ.

Ngày 5 tháng 1 năm 1987, thành lập xã Triệu Thành trên cơ sở điều chỉnh một phần diện tích tự nhiên và dân số của xã Hợp Thành.

Ngày 3 tháng 6 năm 1988, thành lập thị trấn Triệu Sơn - thị trấn huyện lị của huyện Triệu Sơn - trên cơ sở điều chỉnh 22,99 ha diện tích tự nhiên với 1.341 nhân khẩu của xã Minh Châu; điều chỉnh 5,19 ha diện tích tự nhiên với 229 nhân khẩu của xã Minh Dân và điều chỉnh 85,55 ha diện tích tự nhiên với 3.594 nhân khẩu của xã Minh Sơn.

Ngày 25 tháng 11 năm 1994, thành lập xã Bình Sơn trên cơ sở điều chỉnh một phần diện tích tự nhiên và dân số của xã Thọ Bình.

Ngày 16 tháng 10 năm 2019, Ủy ban Thường vụ Quốc hội đã 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, chuyển xã Tân Ninh thành thị trấn Nưa; sáp nhập các xã Minh Dân, Minh Châu vào thị trấn Triệu Sơn.[1]

Huyện Triệu Sơn có 2 thị trấn và 32 xã như hiện nay.