Địa danh Vĩnh Tường được hình thành và thay đổi qua nhiều thời kỳ lịch sử. Thời các Vua Hùng, Vĩnh Tường thuộc bộ Văn Lang. Dưới thời thuộc Hán, Vĩnh Tường thuộc quận Giao Chỉ. Sang thời thuộc Đường, Vĩnh Tường là trung tâm của vùng đất Phong Châu. Vùng đất ấy mang địa danh Vĩnh Tường phủ đặt từ năm Minh Mệnh thứ 3 (1822) triều Nguyễn. Đời xưa, có tên là Phong Châu với nghĩa là đỉnh vùng đất bãi - đỉnh tam giác của đồng bằng châu thổ sông Hồng.

Đời Trần gọi là Tam Đái lộ (Tam Đái). Đến cuối đời Trần đặt thành Tam Giang - lấy tên ngã ba sông Bạch Hạc mà đặt ra.

Thời thuộc Minh (1407 - 1427) gọi là châu Tam Đái.

Đời Lê Thánh Tông đặt là phủ Tam Đái, gồm 6 huyện: An Lãng, An Lạc (đời Nguyễn kiêng huý chữ “An”, đọc là "Yên"), Bạch Hạc, Tân Phong (về sau kiêng huý đổi gọi là "Tiên Phong"), Lập Thạch và Phù Ninh (Nhà Lê kiêng huý, đổi gọi là "Phù Khang").

Đến năm Cảnh Hưng thứ 3 (1742), cắt huyện Tiên Phong về phủ Quảng Oai, phủ Tam Đái chỉ còn 5 huyện (Yên Lãng, Yên Lạc, Bạch Hạc, Lập Thạch và Phù Khang). Đầu đời Gia Long, vẫn để nguyên như thế.

Năm Minh Mệnh thứ 2 đổi gọi là phủ Tam Đa.

Năm Minh Mệnh thứ 3 đổi gọi là phủ Vĩnh Tường.

Năm Minh Mệnh thứ 11 (1830), cắt huyện Phù Ninh về phủ Đoan Hùng và lấy huyện Tam Dương của phủ Đoan Hùng thuộc về phủ Vĩnh Tường.

Năm Minh Mệnh thứ 13 (1832), cắt 2 huyện Yên Lãng, Yên Lạc lập thành phân phủ Vĩnh Tường, kiêm huyện Yên Lãng, thống hạt huyện Yên Lạc. Phủ Vĩnh Tường còn lại 3 huyện (Bạch Hạc, Lập Thạch và Tam Dương), kiêm lý huyện Bạch Hạc, thống hạt 2 huyện lập Thạch và Tam Dương.

Phủ thành Vĩnh Tường đặt ở địa phận xã Văn Trưng (nay là thị trấn Tứ Trưng). Đến năm Minh Mệnh thứ 12 (1831), chuyển lên đặt ở 2 xã Bồ Điền, Huy Ngạc (này là thị trấn Vĩnh Tường).

Năm 1899, thực dân Pháp cho thành lập tỉnh Vĩnh Yên gồm phủ Vĩnh Tường và các huyện Yên Lạc, Tam Dương, Lập Thạch và Bình Xuyên. Lúc này, phủ Vĩnh Tường là một đơn vị độc lập thuộc tỉnh Vĩnh Yên gồm có 8 tổng (Đồng Phú, Đồng Vệ, Hưng Lục, Kiên Cương, Lương Điền, Tăng Đố, Thượng Trưng, Tuân Lộ) với 78 làng xã.

Năm 1907, bỏ huyện Bạch Hạc (gồm 2 tổng Mộ Chu và Nghĩa Yên với 14 xã) nhập vào phủ Vĩnh Tường.

Năm 1927, phủ Vĩnh Tường gồm 10 tổng (Đồng Phú, Đồng Vệ, Hưng Lục, Kiên Cương, Lương Điền, Mộ Chu, Nghĩa Yên, Tăng Đố, Thượng Trưng và Tuân Lộ) với 85 làng xã. Trong đó, một số tổng và các làng xã ở Vĩnh Tường có ít nhiều thay đổi.

Sau năm 1945, phủ Vĩnh Tường đổi thành huyện Vĩnh Tường thuộc tỉnh Vĩnh Yên.

Năm 1950, Chính phủ nước Việt Nam Dân chủ cộng hòa quyết định hợp nhất hai tỉnh Vĩnh Yên và Phúc Yên thành tỉnh Vĩnh Phúc. Huyện Vĩnh Tường được giữ nguyên, gồm 28 xã: An Tường, Bình Dương, Bồ Sao, Cao Đại, Chấn Hưng, Đại Đồng, Kim Xá, Lũng Hòa, Lý Nhân, Nghĩa Hưng, Ngũ Kiên, Phú Đa, Phú Thịnh, Tam Phúc, Tân Cương, Tân Tiến, Thổ Tang, Thượng Trưng, Tứ Trưng, Tuân Chính, Vân Xuân, Việt Xuân, Vĩnh Ninh, Vĩnh Sơn, Vĩnh Thịnh, Vũ Di, Yên Bình, Yên Lập.

Ngày 5 tháng 7 năm 1977, Hội đồng Chính phủ ban hành Quyết định số 178-CP sáp nhập huyện Vĩnh Tường với huyện Yên Lạc thành huyện Vĩnh Lạc thuộc tỉnh Vĩnh Phú.

Ngày 14 tháng 10 năm 1994, thành lập thị trấn Vĩnh Tường, thị trấn huyện lỵ huyện Vĩnh Lạc trên cơ sở 282,62 ha diện tích tự nhiên của xã Vũ Di và 3,348 ha diện tích tự nhiên của xã Tứ Trưng.

Ngày 7 tháng 10 năm 1995, Chính phủ nước ban hành Nghị định số 63-CP chia huyện Vĩnh Lạc thành hai huyện Vĩnh Tường và Yên Lạc. Khi tách ra, huyện Vĩnh Tường có 1 thị trấn và 28 xã.

Ngày 12 tháng 4 năm 2007, chuyển xã Thổ Tang thành thị trấn Thổ Tang.

Ngày 23 tháng 3 năm 2009, chuyển xã Tứ Trưng thành thị trấn Tứ Trưng.

Ngày 10 tháng 1 năm 2020, sáp nhập xã Tân Cương và xã Phú Thịnh thành xã Tân Phú.[2]

Huyện Vĩnh Tường có 3 thị trấn và 25 xã như hiện nay.