Địa bàn phường Đông Hải ngày nay được hình thành trên đất của 5 ngôi làng lớn: Lai Thành, Đồng Lễ, Lễ Môn, Ái Sơn và Sơn Vạn.

Trước Cách mạng tháng Tám, làng Lễ Môn còn có tên là làng Lê Xá, vốn thuộc đất của xã Đông Hương.

Sau cách mạng, năm 1945, cả bốn làng còn lại (Lai Thành, Đồng Lễ, Ái Sơn, Sơn Vạn) đều sáp nhập vào xã Đông Hương.

Đến năm 1953, xã Đông Hương bị chia tách và 5 làng này bị cắt về địa giới xã Đông Hải, huyện Đông Sơn.

Từ năm 1971, xã Đông Hải được sáp nhập vào thị xã Thanh Hoá.

Năm 1994, thành lập phường Đông Sơn trên cơ sở một phần diện tích và dân số của xã Đông Hải.

Ngày 19 tháng 8 năm 2013, xã Đông Hải chuyển thành phường Đông Hải thuộc thành phố Thanh Hóa.[3]

Đông Hải nằm bên tuyến kênh Nhà Lê, là tuyến đường thủy đầu tiên trong lịch sử Việt Nam từ kinh đô Hoa Lư đến Đèo Ngang và được xem là tuyến đường Hồ Chí Minh trên sông vì những đóng góp cho các cuộc chiến tranh của người Việt.