Tây Sơn xưa kia là vùng đất thuộc huyện Tượng Lâm, địa bàn cư trú của người Chăm, thuộc vương quốc Chămpa cổ. Năm 1471, sau các cuộc chinh phạt Chăm Pa dưới sự dẫn dắt của vua Lê Thánh Tông vào đến khu vực đèo Cù Mông bây giờ, nhà Lê lập phủ Hoài Nhân (tức Hoài Nhơn) gồm ba huyện Bồng Sơn, Phù Ly, Tuy Viễn thuộc Thừa tuyên Quảng Nam. Bình Khê thuộc huyện Tuy Viễn.

Năm 1602, Chúa Nguyễn Hoàng đổi tên phủ Hoài Nhân thành phủ Quy Nhân (Quy Nhơn). Sau nhiều lần đổi tên, năm 1832 nhà Nguyễn đổi tên phủ Hoài Nhơn (cũng là phủ Quy Nhơn) thành tỉnh Bình Định. Qua các lần đổi tên này (phủ, dinh, trấn, tỉnh) Bình Khê vẫn thuộc huyện Tuy Viễn. Tháng 5 năm 1877, sau khi di dân khai phá, lập thêm 28 làng phía tây và đông sông Ba, Nhà Nguyễn thành lập ba tổng Thuận Đức, Tân Phong và An Khê thuộc Nha Kinh lý An Khê.

Tháng 9 năm 1888, Nhà Nguyễn cắt 18 làng thuộc hai tổng Phú Phong và Mỹ Thuận (thuộc Tuy Viễn) nhập vào nha Kinh lý An Khê thành lập huyện Bình Khê gồm 3 tổng: Phú Phong, Mỹ Thuận, Vĩnh Thạnh. Khoảng năm 1937 lập tổng Trường Định. Từ đó Bình Khê có 4 tổng: Vĩnh Thạnh, Phú Phong, Trường Định và Thuận Truyền với 47 làng. Đầu năm 1946 do có sự điều chỉnh địa giới  giữa An Nhơn và Bình Khê nên có thêm 3 làng: Bính Đức, Mỹ Đức, Nhơn Thuận, tổng cộng Bình Khê có 50 làng.

Sau Cách mạng tháng 8 năm 1945, tổng Phú Phong được gọi là tổng Tây Sơn, tổng Trường Định gọi là tổng Hương Sơn, tổng Thuận Truyền gọi là tổng Võ Cự Công, tổng Vĩnh Thạnh giữ nguyên tên. Cuối năm 1945, bỏ cấp tổng, thành lập cấp làng.

Tháng 3 năm 1946, Bình Định nhập xã lần thứ nhất. Huyện Bình Khê từ 50 làng hợp thành 21 xã.

Tháng 4 năm 1947, Bình Định lập 4 huyện miền núi: An Lão, Kim Sơn, Vĩnh Thạnh, Vân Canh. Đầu năm 1948, Bình Khê nhập xã lần thứ hai, còn 10 xã.

Từ cuối năm 1955 đến đầu 1958, Việt Nam Cộng Hòa lập Nha hành chính ở các huyện miền núi, đổi tên xã Bình Quang (nguyên thuộc huyện Bình Khê) thành xã Vĩnh Quang nhập vào Nha Vĩnh Thạnh; tháng 5 năm 1958 cải biến nha hành chính Vĩnh Thạnh thành quận Vĩnh Thạnh.

Tháng 7 năm 1963, chính quyền Việt Nam Cộng Hòa lập xã Phùng Thiện thuộc quận Vĩnh Thạnh gồm các thôn Tiên Thuận, Thượng Sơn (nguyên thuộc xã Bình Giang, quận Bình Khê), một phần xã Vĩnh An (thuộc quận Vĩnh Thạnh), 2 thôn Định Quang, Định Bình (thuộc xã Vĩnh Quang, quận Vĩnh Thạnh), phần còn lại của xã Vĩnh An nhập vào xã Bình Giang (thuộc Bình Khê); xã Vĩnh Bình (nguyên thuộc quận Vĩnh Thạnh) nhập vào xã Bình Tường (thuộc quận Bình Khê).

Từ tháng 4 năm 1965 đến tháng 6 năm 1970, chính quyền VIệt Nam Cộng Hòa biến quận Vĩnh Thạnh thành cơ sở phái viên hành chính Vĩnh Thạnh trực thuộc quận Bình Khê, rồi bãi bỏ, lại tái lập rồi bãi bỏ cơ sở phái viên hành chính, đặt các xã của huyện Vĩnh Thạnh trực thuộc huyện Bình Khê.

Tới trước năm 1975, dưới thời Việt Nam Cộng hòa, huyện Tây Sơn có tên là quận Bình Khê. Sau năm 1975 lấy tên cũ là huyện Tây Sơn, ban đầu gồm 15 xã: Bình An, Bình Giang, Bình Hiệp, Bình Hòa, Bình Nghi, Bình Phú, Bình Quang, Bình Thành, Bình Tường, Vĩnh An, Vĩnh Hảo, Vĩnh Hiệp, Vĩnh Hòa, Vĩnh Kim, Vĩnh Sơn.

Ngày 24-3-1979, thành lập thị trấn Phú Phong trên cơ sở thôn Phú Phong thuộc xã Bình Phú.

Ngày 24-8-1981, tách 6 xã: Vĩnh Sơn, Vĩnh Hóa, Vĩnh Kim, Vĩnh Hảo, Vĩnh Hiệp, Bình Quang để tái lập huyện Vĩnh Thạnh. Huyện còn lại 9 xã: Bình Giang, Bình Phú, Bình Tường, Bình Nghi, Bình An, Bình Thành, Bình Hòa, Bình Hiệp, Vĩnh An và thị trấn Phú Phong.

Ngày 19-2-1986, chia xã Bình Hiệp thành hai xã lấy tên xã Bình Tân và xã Bình Thuận.

Ngày 14-2-1987, chia xã Bình An thành ba xã lấy tên xã Tây An, Tây Bình và Tây Vinh; chia xã Bình Phú thành hai xã lấy tên xã Tây Xuân và xã Tây Phú; chia xã Bình Giang thành hai xã lấy tên xã Tây Thuận và xã Tây Giang.

Ngày 25-6-2015, thị trấn Phú Phong được công nhận là đô thị loại IV.

Tây Sơn được nhiều người biết đến, là quê hương của ba anh em nhà Tây Sơn là Nguyễn Nhạc, Nguyễn Huệ và Nguyễn Lữ, lãnh tụ cuộc khởi nghĩa Tây Sơn, với những chiến thắng vĩ đại chống quân xâm lược Xiêm La (Thái Lan) và nhà Thanh (Mãn Châu), chống lại chế độ chúa Nguyễn và chúa Trịnh, thiết lập nên nhà Tây Sơn. Trong đó kiệt xuất nhất là người anh hùng áo vải Nguyễn Huệ, sau trở thành vua Quang Trung.

Từ thời nhà Tây Sơn đến thời Pháp thuộc, Tây Sơn đã có nhiều anh hùng dân tộc như: Nguyễn Nhạc, Nguyễn Huệ, Bùi Thị Xuân, Trần Quang Diệu, Mai Xuân Thưởng, Võ Văn Dõng,...