Các đô thị trong vùng thủ đô Hà Nội đã hình thành một cách tự nhiên từ thập niên 1990 với sự phát triển của mạng giao thông từ Hà Nội sang các tỉnh lân cận, cũng như sự đô thị hóa nhanh chóng ở các địa phương trong vùng, thành lập các khu công nghiệp và khu đô thị mới phụ trợ cho Hà Nội. Tuy nhiên, mãi tới đầu thập niên 2000 mới có nghiên cứu do Bộ Xây dựng Việt Nam chủ trì về việc quy hoạch vùng thủ đô Hà Nội. Nghiên cứu có tham khảo kinh nghiệm quốc tế và ý kiến đóng góp của chuyên gia nước ngoài.

Tháng 5 năm 2008, theo đề nghị số 11/TTr-BXD ngày 6 tháng 3 năm 2008 của Bộ Xây dựng, Thủ tướng Chính phủ Nguyễn Tấn Dũng chính thức ban hành quyết định số 490/QĐ-TTg[4] thành lập Vùng thủ đô Hà Nội và quy hoạch định hướng phát triển vùng đô thị này đến năm 2020 tầm nhìn 2050. Khi đó, phạm vi quy hoạch của Vùng Thủ đô Hà Nội chỉ bao gồm thủ đô Hà Nội và 7 tỉnh: Hà Tây, Vĩnh Phúc, Hưng Yên, Bắc Ninh, Hải Dương, Hà Nam và Hòa Bình với diện tích tự nhiên khoảng 13.436 km2. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các vùng kinh tế - xã hội gồm: vùng đồng bằng sông Hồng, vùng Kinh tế trọng điểm Bắc Bộ và các khu vực liên quan đến không gian phát triển kinh tế xã hội của vùng.

Đến tháng 11 năm 2012, Thủ tướng Chính phủ lại ban hành quyết định số 1758/QĐ-TTg[5] điều chỉnh quy hoạch xây dựng Vùng Thủ đô Hà Nội theo đề nghị của Bộ Xây dựng. Phạm vi của vùng được tăng lên gồm Thủ đô Hà Nội và 09 tỉnh là: Vĩnh Phúc, Bắc Ninh, Hải Dương, Hưng Yên, Hà Nam, Hòa Bình, Phú Thọ, Thái Nguyên và Bắc Giang (tăng thêm 03 tỉnh là Phú Thọ, Thái Nguyên, Bắc Giang) có tổng diện tích 24.314,7 km2 với dân số toàn vùng năm 2010 vào khoảng 17 triệu người.

Tháng 5 năm 2016, Thủ tướng Nguyễn Xuân Phúc căn cứ theo đề nghị bổ sung của Bộ Xây dựng lại tiếp tục ban hành quyết định 768/QĐ-TTg[6] điều chỉnh quy hoạch Vùng Thủ đô đến năm 2030 tầm nhìn 2050. Theo đó, số tỉnh thành của Vùng Thủ đô Hà Nội vẫn giữ nguyên là 10 tỉnh, thành phố. Tuy nhiên định hướng phát triển đô thị của từng địa phương đã được quy định cụ thể hơn về vai trò, cũng như đặc trưng, lợi thế riêng và việc chia sẻ chức năng, hỗ trợ phát triển lẫn nhau của các đô thị trong toàn vùng.