Trước năm 2008, địa bàn huyện Tân Uyên ngày nay thuộc huyện Than Uyên, tỉnh Lai Châu.

Huyện Tân Uyên được thành lập với nghị định số 4/NĐ-CP của Chính phủ ngày 30/10/2008 trên cơ sở điều chỉnh 90.326,75 ha diện tích tự nhiên và 42.221 người của huyện Than Uyên (bao gồm toàn bộ diện tích tự nhiên và người của các xã: Mường Khoa, Phúc Khoa, Nậm Sỏ, Nậm Cần, Thân Thuộc, Trung Đồng, Hố Mít, Pắc Ta, Tà Mít và thị trấn Tân Uyên). Huyện lỵ của huyện đặt tại thị trấn Tân Uyên.