Tên huyện Từ Liêm được đặt năm Vũ Đức thứ 4 (621) thời thuộc nhà Đường, thuộc Từ Châu (sau đổi làNam Từ Châu, gồm 3 huyện: Từ Liêm, Ô Diên và Vũ Lập). Đường thư, Địa lý chí giải thích: đặt tên huyện Từ Liêm vì có sông Từ Liêm. Thực ra, 2 chữ Từ Liêm là cách phiên âm địa danh Chèm.

Thời Lý-Trần đặt lại huyện Từ Liêm thuộc phủ Đông Đô. Thời thuộc Minh đặt thuộc phủ Giao Châu.

Nhà Lê đặt thuộc phủ Quốc Oai, trấn Sơn Tây. Từ Liêm trước năm 1831 là một huyện thuộc phủ Quốc Oai của tỉnh Sơn Tây.

Năm Minh Mệnh thứ 12 (1831) đặt thuộc phủ Hoài Đức tỉnh Hà Nội (nay là huyện Từ Liêm thành phố Hà Nội và phần phía nam huyện Hoài Đức, một phần huyện Đan Phượng). Huyện Từ Liêm khi đó gồm 13 tổng[cần dẫn nguồn]:

• Tổng Thượng Hội (cấp làng xã gồm: Thượng Hội, Hà Mỗ, Phù Trung, Vĩnh Ký, Thúy Hội (nay thuộc xã Tân Hội, Đan Phượng), Thượng Mỗ),
• Tổng Thượng Trì (cấp làng xã gồm: Thượng Trì, Hữu Cước, Bồng Lai, Bá Dương, Đông Lai (nay thuộc Liên Hồng, Hồng Hà, Đan Phượng),
• Tổng Hạ Trì (cấp làng xã gồm: Hạ Trì, Thượng Cát, Đại Cát, An Nội, Mạc Xá, Hoàng Xá),
• Tổng Phú Gia (cấp làng xã gồm: Phú Gia, Thượng Thụy, Phú Xá, Thụy Hương (Thụy Phương), Quán La, Nhật Cảo (Nhật Tảo), Hoa Ngạc; nay là phần đất thuộc các phường Xuân La (Quán La), Phú Thượng (Phú Gia, Thượng Thụy) quận Tây Hồ, các phường Đông Ngạc (Nhật Tảo, Hoa Ngạc), Thụy Phương quận Bắc Từ Liêm,
• Tổng Minh Cảo (cấp làng xã gồm: Minh Cảo, Đông Ngạc, Tam Bảo, Vạn Bảo, Bảo Xuyên),
• Tổng Cổ Nhuế (cấp làng xã gồm: Cổ Nhuế, Cáo Đỉnh, Phu Diễn, Phù Diễn, Phú Diễn (nay là các phường Phú Diễn, Phúc Diễn, quận Bắc Từ Liêm),
• Tổng Dịch Vọng (cấp làng xã gồm: Dịch Vọng (làng Vòng), Thượng Yên Quyết, Hạ Yên Quyết (làng Cót), Mai Dịch, Mễ Trì, Nhân Mục (làng Mọc, nay thuộc Nhân Chính), Kính Chủ, Nghĩa Đô, Đoài Môn, Sở Dịch Vọng),
• Tổng Hương Canh (cấp làng xã gồm: Hương Canh, Phú Mỹ, Vân Canh (nay là xã Vân Canh Hoài Đức), Nhân Mỹ, Miêu Nha (nay thuộc phường Tây Mỗ quận Nam Từ Liêm)),
• Tổng Tây Đam (cấp làng xã gồm: Tây Đam (nay là phường Tây Tựu quận Bắc Từ Liêm), Ngọc Kiều, Trung Đam, Phúc Đam, Đan Hội, Hạ Hội (nay thuộc Tân Lập, Đan Phượng), Ngọc Hạnh),
• Tổng Thượng Ốc (cấp làng xã gồm: Thượng Ốc, Thanh Chước, Hương Côn (nay thuộc Vân Côn, Hoài Đức), Trang Linh Thượng, Hương Quan, Lại Dụ, Đông Lao (nay thuộc Đông La),
• Tổng Yên Lũng (cấp làng xã gồm: Yên Lũng (nay thuộc An Thượng, Hoài Đức), Vân Lũng, Yên Thọ (nay thuộc An Khánh, Hoài Đức), La Phù (nay thuộc huyện Hoài Đức), Ngải Cầu, La Dương (nay thuộc Dương Nội),
• Tổng La Nội (cấp làng xã gồm: La Nội (nay thuộc Dương Nội), La Tinh, Ỷ La, La Khê, Yên Lộ, Nghĩa Lộ (nay là Yên Nghĩa, Hà Đông),
• Tổng Thiên Mỗ (cấp làng xã gồm: Thiên Mỗ, Tây Mỗ, Vạn Bảo, Mộ Lao, Ngọc Trục (nay thuộc phường Đại Mỗ quận Nam Từ Liêm), Hồng Đô, Phùng Quang (nay là Phùng Khoang)).

Năm 1833, phủ lỵ Hoài Đức được dời từ thôn Tiên Thị, huyện Thọ Xương (nay thuộc khu vực phố Phủ Doãn, quận Hoàn Kiếm) về làng Dịch Vọng, huyện Từ Liêm (nay là Học viện Báo chí & Tuyên truyền, thuộc phường Dịch Vọng Hậu, quận Cầu Giấy).

Sau khi thành Hà Nội bị cắt nhượng cho Pháp, một số xã của huyện Từ Liêm được sáp nhập vào ngoại thành Hà Nội, phần còn lại sáp nhập vào tỉnh Hà Đông.

Huyện Từ Liêm được tái lập trên cơ sở sáp nhập hai quận 5 và 6 của Hà Nội cũ (bao gồm các xã Cổ Nhuế, Xuân Đỉnh, Đông Ngạc, Thụy Phương, Xuân La, Nhật Tân, Quảng An, Phú Thượng, Tứ Liên (thuộc quận 5 cũ), Dịch Vọng, Mai Dịch, Nghĩa Đô, Mễ Trì, Mỹ Đình, Nhân Chính, Yên Lãng (thuộc quận 6 cũ)) cùng với một số xã như Trung Văn, Tây Tựu, Liên Mạc, Phú Diễn, Minh Khai, Thượng Cát, Xuân Phương, Hữu Hưng của hai huyện Hoài Đức và Đan Phượng, theo quyết định số 78/QĐ ngày 31 tháng 5 năm 1961 của Chính phủ Việt Nam[2], gồm 26 xã: Cổ Nhuế, Dịch Vọng, Đông Ngạc, Hữu Hưng, Liên Mạc, Mai Dịch, Mễ Trì, Minh Khai, Mỹ Đình, Nghĩa Đô, Nhân Chính, Nhật Tân, Phú Diễn, Phú Thượng, Quảng An, Tây Tựu, Thượng Cát, Thụy Phương, Trung Hòa, Trung Văn, Tứ Liên, Xuân Đỉnh, Xuân La, Xuân Phương, Yên Hòa, Yên Lãng.

Ngày 19 tháng 2 năm 1964, chia xã Hữu Hưng thành 2 xã: Tây Mỗ và Đại Mỗ[3].

Ngày 9 tháng 8 năm 1973, chuyển xã Yên Lãng về khu phố Đống Đa quản lý (sau chia thành 2 phường: Láng Hạ và Láng Thượng thuộc quận Đống Đa).

Ngày 20 tháng 4 năm 1978, 2 xã Phú Diễn và Minh Khai hợp nhất thành xã Phú Minh[4].

Ngày 13 tháng 10 năm 1982, thành lập 3 thị trấn: Cầu Giấy (trên cơ sở tách ra từ xã Dịch Vọng), Cầu Diễn (trên cơ sở tách ra từ các xã Mai Dịch, Mỹ Đình và Phú Minh), Nghĩa Đô (trên cơ sở giải thể xã Nghĩa Đô và tách một phần diện tích xã Cổ Nhuế)[5].

Ngày 17 tháng 9 năm 1990, thành lập thị trấn Mai Dịch (trên cơ sở giải thể xã Mai Dịch và điều chỉnh một phần diện tích thị trấn Cầu Diễn) và chia lại xã Phú Minh thành 2 xã cũ là Phú Diễn và Minh Khai.

Ngày 17 tháng 4 năm 1992, chia thị trấn Nghĩa Đô thành 2 thị trấn: Nghĩa Đô và Nghĩa Tân.

Đến ngày 27 tháng 10 năm 1995, huyện Từ Liêm có 5 thị trấn: Cầu Giấy (huyện lỵ), Cầu Diễn, Mai Dịch, Nghĩa Đô, Nghĩa Tân và 24 xã: Cổ Nhuế, Đại Mỗ, Dịch Vọng, Đông Ngạc, Liên Mạc, Mễ Trì, Minh Khai, Mỹ Đình, Nhân Chính, Nhật Tân, Phú Diễn, Phú Thượng, Quảng An, Tây Mỗ, Tây Tựu, Thượng Cát, Thụy Phương, Trung Hòa, Trung Văn, Tứ Liên, Xuân Đỉnh, Xuân La, Xuân Phương, Yên Hòa.

Ngày 28 tháng 10 năm 1995, tách 5 xã: Tứ Liên, Nhật Tân, Quảng An, Xuân La, Phú Thượng với tổng diện tích đất tự nhiên 1.619,9 ha và 32.080 nhân khẩu để hợp với 3 phường Bưởi, Thụy Khuê, Yên Phụ của quận Ba Đình thành lập quận Tây Hồ[6].

Ngày 22 tháng 11 năm 1996, tách xã Nhân Chính với diện tích đất tự nhiên 160,9 ha và 9.229 nhân khẩu để thành lập quận Thanh Xuân; 4 thị trấn (Cầu Giấy, Mai Dịch, Nghĩa Đô, Nghĩa Tân) và 3 xã (Dịch Vọng, Yên Hòa, Trung Hòa) với tổng diện tích đất tự nhiên 1.210 ha và 82.914 nhân khẩu để thành lập quận Cầu Giấy[7].

Từ đó đến ngày 26 tháng 12 năm 2013, huyện Từ Liêm có 16 đơn vị hành chính gồm thị trấn Cầu Diễn và 15 xã: Cổ Nhuế, Đại Mỗ, Đông Ngạc, Liên Mạc, Mễ Trì, Minh Khai, Mỹ Đình, Phú Diễn, Tây Mỗ, Tây Tựu, Thượng Cát, Thụy Phương, Trung Văn, Xuân Đỉnh, Xuân Phương.

Ngày 27 tháng 12 năm 2013, Thủ tướng Chính phủ Việt Nam đã ban hành Nghị quyết 132/NQ-CP[1] về việc điều chỉnh địa giới hành chính huyện Từ Liêm để thành lập 2 quận và 23 phường thuộc thành phố Hà Nội như sau:

• Thành lập quận Bắc Từ Liêm trên cơ sở toàn bộ diện tích tự nhiên và dân số của các xã: Thượng Cát, Liên Mạc, Tây Tựu, Thụy Phương, Minh Khai, Phú Diễn, Đông Ngạc, Xuân Đỉnh, Cổ Nhuế; 9,30 ha diện tích tự nhiên và 596 nhân khẩu của xã Xuân Phương; 75,48 ha diện tích tự nhiên và 10.126 nhân khẩu của thị trấn Cầu Diễn. Quận Bắc Từ Liêm gồm 13 phường: Cổ Nhuế 1, Cổ Nhuế 2, Đông Ngạc, Đức Thắng, Liên Mạc, Minh Khai, Phú Diễn, Phúc Diễn, Tây Tựu, Thượng Cát, Thụy Phương, Xuân Đỉnh, Xuân Tảo.

• Thành lập quận Nam Từ Liêm được thành lập trên cơ sở toàn bộ diện tích tự nhiên và dân số của các xã: Mễ Trì, Mỹ Đình, Trung Văn, Tây Mỗ, Đại Mỗ; 536,34 ha diện tích tự nhiên và 34.052 nhân khẩu còn lại của xã Xuân Phương; 137,75 ha diện tích tự nhiên và 23.279 nhân khẩu còn lại của thị trấn Cầu Diễn. Quận Nam Từ Liêm gồm 10 phường: Cầu Diễn, Đại Mỗ, Mễ Trì, Mỹ Đình 1, Mỹ Đình 2, Phú Đô, Tây Mỗ, Phương Canh, Trung Văn, Xuân Phương.

Như vậy, huyện Từ Liêm chính thức bị giải thể từ đây.