Dưới thời Pháp thuộc, Tân Uyên là một quận của tỉnh Biên Hòa, gồm 3 tổng Chánh Mỹ Hạ, Chánh Mỹ Trung và Phước Vĩnh Hạ. Quận lỵ đặt tại làng Uyên Hưng, tổng Chánh Mỹ Trung.

Năm 1959, chính quyền Việt Nam Cộng hòa thành lập tỉnh Phước Thành từ phần đất của quận Tân Uyên, tỉnh Biên Hòa và một phần các tỉnh Bình Dương, Phước Long, Long Khánh. Tỉnh lỵ tỉnh Phước Thành đặt tại Phước Vĩnh.

Năm 1965, tỉnh Phước Thành giải thể, quận Tân Uyên được sáp nhập trở lại vào tỉnh Biên Hòa.

Năm 1972, quận Tân Uyên gồm 14 xã: An Thành, Bình Hòa, Bình Chánh, Mỹ Hòa, Mỹ Quới, Tân Ba, Phước Thành, Thạnh Hội, Uyên Hưng, Tân Tịch, Thường Lang, Tân Hòa, Tân Hiệp, Tân Hòa Khánh; quận lỵ đặt tại xã Uyên Hưng.

Về phía chính quyền Cách mạng, trong khoảng thời gian từ tháng 5 năm 1951 đến cuối năm 1954 và từ tháng 9 năm 1960 đến tháng 7 năm 1961, tỉnh Biên Hòa sáp nhập với tỉnh Thủ Dầu Một thành tỉnh Thủ Biên. Lúc này, huyện Tân Uyên thuộc tỉnh Thủ Biên.

Năm 1974, huyện Tân Uyên được giao về tỉnh Thủ Dầu Một.

Từ năm 1976 đến nay

Từ năm 1976, tỉnh Thủ Dầu Một hợp nhất với tỉnh Bình Phước và 3 xã An Bình, Bình An, Đông Hòa thuộc huyện Thủ Đức thành tỉnh Sông Bé, lúc này huyện Tân Uyên thuộc tỉnh Sông Bé.

Ngày 11 tháng 3 năm 1977, Hội đồng Chính phủ ban hành Quyết định 55-CP[4]. Theo đó, chuyển 4 xã: Bình Mỹ, Tân Bình, Phước Hòa, Phú Hưng thuộc huyện Phú Giáo vừa giải thể và 3 xã: Tân Phước Khánh, Tân Phú Hiệp, Tân Vĩnh Hiệp thuộc huyện Châu Thành vừa giải thể về huyện Tân Uyên quản lý.

Sau khi điều chỉnh địa giới hành chính, huyện Tân Uyên bao gồm 16 xã: An Long, Bạch Đằng, Bình Mỹ, Khánh Bình, Lạc An, Phú Hưng, Phước Hòa, Tân Bình, Tân Long, Tân Mỹ, Tân Phú Hiệp, Tân Phước Khánh, Tân Vĩnh Hiệp, Thái Hòa, Thạnh Phước và Thường Tân.

Ngày 25 tháng 4 năm 1979, thành lập 6 xã: Hội Nghĩa, Tân Phú, Tân Lập, Tân Định, Tân Thành và Tân Lợi thuộc các vùng kinh tế mới.[5]

Ngày 4 tháng 12 năm 1985, hợp nhất 2 xã Tân Lợi và Tân Thành thành xã Tân Thành.[6]

Ngày 29 tháng 8 năm 1994, hợp nhất 2 xã Phú Hưng và Tân Phú thành thị trấn Uyên Hưng, chia xã Tân Phú Hiệp thành 2 xã: Phú Chánh và Vĩnh Tân.[7]

Cuối năm 1995, huyện Tân Uyên bao gồm thị trấn Uyên Hưng và 20 xã: An Long, Bạch Đằng, Bình Mỹ, Hội Nghĩa, Khánh Bình, Lạc An, Phú Chánh, Phước Hòa, Tân Bình, Tân Định, Tân Lập, Tân Long, Tân Mỹ, Tân Phước Khánh, Tân Thành, Tân Vĩnh Hiệp, Thái Hòa, Thạnh Phước, Thường Tân, Vĩnh Tân.

Ngày 6 tháng 11 năm 1996, tỉnh Sông Bé chia thành 2 tỉnh Bình Dương và Bình Phước, huyện Tân Uyên trực thuộc thuộc tỉnh Bình Dương. Đồng thời, thị trấn Phước Vĩnh và 5 xã: An Bình, An Linh, Phước Sang, Tân Hiệp, Vĩnh Hòa thuộc huyện Đồng Phú được sáp nhập vào huyện Tân Uyên.[8] Huyện Tân Uyên có 2 thị trấn: Uyên Hưng (huyện lỵ), Phước Vĩnh và 25 xã: An Bình, An Linh, An Long, Bạch Đằng, Bình Mỹ, Hội Nghĩa, Khánh Bình, Lạc An, Phú Chánh, Phước Hòa, Phước Sang, Tân Bình, Tân Định, Tân Hiệp, Tân Lập, Tân Long, Tân Mỹ, Tân Phước Khánh, Tân Thành, Tân Vĩnh Hiệp, Thái Hòa, Thạnh Phước, Thường Tân, Vĩnh Hòa, Vĩnh Tân.

Ngày 28 tháng 5 năm 1997, thành lập thị trấn Tân Phước Khánh trên cơ sở toàn bộ diện tích và dân số của xã Tân Phước Khánh.[9]

Cuối năm 1998, huyện Tân Uyên bao gồm 3 thị trấn: Uyên Hưng, Phước Vĩnh, Tân Phước Khánh và 24 xã: An Bình, An Linh, An Long, Bạch Đằng, Bình Mỹ, Hội Nghĩa, Khánh Bình, Lạc An, Phú Chánh, Phước Hòa, Phước Sang, Tân Bình, Tân Định, Tân Hiệp, Tân Lập, Tân Long, Tân Mỹ, Tân Thành, Tân Vĩnh Hiệp, Thái Hòa, Thạnh Phước, Thường Tân, Vĩnh Hòa, Vĩnh Tân.

Ngày 23 tháng 7 năm 1999, tách thị trấn Phước Vĩnh và 8 xã: Vĩnh Hòa, An Bình, An Linh, Tân Hiệp, Phước Sang, Phước Hòa, An Long, Tân Long để tái lập huyện Phú Giáo[10].

Sau khi điều chỉnh địa giới hành chính, huyện Tân Uyên còn lại 61.117 ha diện tích tự nhiên và 115.104 người với 18 đơn vị hành chính trực thuộc, gồm 2 thị trấn: Uyên Hưng (huyện lỵ), Tân Phước Khánh và 16 xã: Bạch Đằng, Bình Mỹ, Hội Nghĩa, Khánh Bình, Lạc An, Phú Chánh, Tân Bình, Tân Định, Tân Lập, Tân Mỹ, Tân Thành, Tân Vĩnh Hiệp, Thái Hòa, Thạnh Phước, Thường Tân, Vĩnh Tân.

Ngày 17 tháng 11 năm 2004, Chính phủ ban hành Nghị định số 190/2004/NĐ-CP[11]. Theo đó:

• Thành lập xã Hiếu Liêm trên cơ sở 2.311 ha diện tích tự nhiên và 1.113 người của xã Lạc An, 2.227 ha diện tích tự nhiên và 1.277 người của xã Tân Định
• Thành lập xã Đất Cuốc trên cơ sở 1.096 ha diện tích tự nhiên và 1.546 người của xã Tân Mỹ, 2.012 ha diện tích tự nhiên và 1.204 người của xã Tân Thành
• Thành lập xã Tân Hiệp trên cơ sở 545 ha và 2.287 người của xã Phú Chánh, 290 ha diện tích tự nhiên và 1.173 người của xã Tân Vĩnh Hiệp, 1.994 ha diện tích tự nhiên và 2.119 người của xã Khánh Bình
• Thành lập xã Thạnh Hội trên cơ sở 388 ha diện tích tự nhiên và 2.298 người của xã Thạnh Phước.

Ngày 11 tháng 8 năm 2009, Chính phủ ban hành Nghị quyết số 36/NQ-CP[12]. Theo đó:

• Điều chỉnh 2.014,40 ha diện tích tự nhiên và 5.338 người của huyện Tân Uyên (gồm 989 ha diện tích tự nhiên và 3.469 người của xã Phú Chánh, 229,63 ha diện tích tự nhiên và 452 người của xã Tân Hiệp, 795,77 ha diện tích tự nhiên và 1.417 người của xã Tân Vĩnh Hiệp) về thị xã Thủ Dầu Một (nay là một phần các phường Hòa Phú và Phú Tân thuộc thành phố Thủ Dầu Một)
• Thành lập thị trấn Thái Hòa trên cơ sở toàn bộ diện tích tự nhiên và dân số của xã Thái Hòa.

Ngày 1 tháng 11 năm 2012, Bộ Xây dựng ban hành Quyết định số 1007/QĐ-BXD về việc công nhận thị trấn Uyên Hưng mở rộng là đô thị loại IV.[13]

Cuối năm 2012, huyện Tân Uyên có 22 đơn vị hành chính trực thuộc, bao gồm 3 thị trấn: Uyên Hưng (huyện lỵ), Tân Phước Khánh, Thái Hòa và 19 xã: Bạch Đằng, Bình Mỹ, Đất Cuốc, Hiếu Liêm, Hội Nghĩa, Khánh Bình, Lạc An, Phú Chánh, Tân Bình, Tân Định, Tân Hiệp, Tân Lập, Tân Mỹ, Tân Thành, Tân Vĩnh Hiệp, Thạnh Hội, Thạnh Phước, Thường Tân, Vĩnh Tân.

Ngày 29 tháng 12 năm 2013, Chính phủ ban hành Nghị quyết số 136/NQ-CP[1]. Theo đó:

• Thành lập thị xã Tân Uyên trên cơ sở tách 3 thị trấn Uyên Hưng, Tân Phước Khánh, Thái Hòa và 9 xã Thạnh Phước, Tân Hiệp, Khánh Bình, Hội Nghĩa, Vĩnh Tân, Phú Chánh, Tân Vĩnh Hiệp, Thạnh Hội, Bạch Đằng thuộc huyện Tân Uyên
• Chuyển 3 thị trấn: Uyên Hưng, Tân Phước Khánh, Thái Hòa và 3 xã: Thạnh Phước, Tân Hiệp, Khánh Bình thành 6 phường có tên tương ứng
• Đổi tên phần còn lại của huyện Tân Uyên thành huyện Bắc Tân Uyên.

Sau khi thành lập, thị xã Tân Uyên có 19.249,20 ha diện tích tự nhiên và 190.564 người với 12 đơn vị hành chính trực thuộc, gồm 6 phường và 6 xã.

Ngày 20 tháng 11 năm 2018, Bộ Xây dựng ban hành Quyết định số 1504/QĐ-BXD về việc công nhận thị xã Tân Uyên là đô thị loại III trực thuộc tỉnh Bình Dương.[14]

Ngày 10 tháng 1 năm 2020, Ủy ban Thường vụ Quốc hội ban hành Nghị quyết số 857/NQ-UBTVQH14 (nghị quyết có hiệu lực từ ngày 1 tháng 2 năm 2020)[15]. Theo đó, chuyển 4 xã: Hội Nghĩa, Phú Chánh, Tân Vĩnh Hiệp và Vĩnh Tân thành 4 phường có tên tương ứng.

Ngày 13 tháng 2 năm 2023, Ủy ban Thường vụ Quốc hội ban hành Nghị quyết số 725/NQ-UBTVQH15 (nghị quyết có hiệu lực từ ngày 10 tháng 4 năm 2023).[2] Theo đó, thành lập thành phố Tân Uyên trên cơ sở toàn bộ 191,76 km² diện tích tự nhiên và 466.053 người của thị xã Tân Uyên.