Từ năm 1611 đến năm 1899, Tuy An thuộc huyện Đồng Xuân.

Năm 1899, phủ Tuy An thống hạt huyện Đồng Xuân, lãnh 5 tổng là An Sơn, An Hải, An Đức, An Vinh, An Phú gồm 69 xã, phủ lỵ đặt tại Long Uyên.

Ngày 7 tháng 9 năm 1945, chính quyền cách mạng lâm thời được thành lập, phủ Tuy An được đổi tên thành phủ Công Ái.

Năm 1947, đổi thành huyện Tuy An. Năm 1954, chính quyền Sài Gòn đổi huyện thành quận. Quận Tuy An có 14 xã. Sau ngày giải phóng, tháng 4/1975, chính quyền cách mạng đổi tên quận Tuy An thành huyện Tuy An.

Năm 1976, tỉnh Phú Yên hợp nhất với tỉnh Khánh Hòa thành tỉnh Phú Khánh, huyện Tuy An thuộc tỉnh Phú Khánh.

Năm 1977, huyện Tuy An hợp nhất với Đồng Xuân và các xã Sơn Long, Sơn Xuân, Sơn Định, Phú Mỡ của huyện Tây Sơn thành một huyện mới lấy tên là huyện Xuân An.

Tuy nhiên, đến năm 1978, huyện Xuân An chia lại thành 2 huyện Tuy An và Đồng Xuân. Huyện Tuy An khi đó gồm 13 xã: An Chấn, An Dân, An Định, An Hải, An Hiệp, An Hòa, An Lĩnh, An Mỹ, An Nghiệp, An Ninh, An Thạch, An Thọ, An Xuân.

Ngày 2 tháng 3 năm 1979, thành lập thị trấn Chí Thạnh, thị trấn huyện lỵ huyện Tuy An.

Ngày 30 tháng 9 năm 1981, thành lập xã An Cư từ các thôn Phú Tân, Phú Lương và Tân Long của thị trấn Chí Thạnh; chia xã An Ninh thành hai xã lấy tên là xã An Ninh Đông và An Ninh Tây; chia xã An Chấn thành hai xã lấy tên là xã An Chấn và xã An Phú.

Ngày 30 tháng 6 năm 1989, tỉnh Phú Yên được tái lập từ tỉnh Phú Khánh cũ, huyện Tuy An trở lại thuộc tỉnh Phú Yên.

Ngày 5 tháng 1 năm 2005, chuyển xã An Phú về thành phố Tuy Hòa quản lý.[1]

Ngày 1 tháng 1 năm 2020, sáp nhập toàn bộ diện tích và dân số của xã An Hải và xã An Hòa thành xã An Hòa Hải.[2]

Huyện Tuy An có 1 thị trấn và 14 xã như hiện nay.