Địa bàn xã Tân Mỹ Hà hiện nay trước đây vốn là ba xã Sơn Tân, Sơn Mỹ và Sơn Hà thuộc huyện Hương Sơn.

Trước khi sáp nhập, xã Sơn Tân có diện tích 7,21 km², dân số là 1.593 người, mật độ dân số đạt 221 người/km². Xã Sơn Mỹ có diện tích 3,27 km², dân số là 1.708 người, mật độ dân số đạt 522 người/km². Xã Sơn Hà có diện tích 3,50 km², dân số là 2.083 người, mật độ dân số đạt 595 người/km².

Ngày 21 tháng 11 năm 2019, Ủy ban Thường vụ Quốc hội ban hành Nghị quyết số 819/NQ-UBTVQH14 về việc sắp xếp các đơn vị hành chính cấp xã thuộc tỉnh Hà Tĩnh (nghị quyết có hiệu lực từ ngày 1 tháng 1 năm 2020)[1]. Theo đó, sáp nhập toàn bộ diện tích và dân số của ba xã Sơn Tân, Sơn Mỹ và Sơn Hà thành xã Tân Mỹ Hà.