Huyện Đông Thiệu được thành lập theo Quyết định số 177/CP ngày 5 tháng 7 năm 1977 của Hội đồng Chính phủ trên cơ sở sáp nhập 16 xã của huyện Thiệu Hóa ở hữu ngạn sông Chu (Thiệu Toán, Thiệu Chính, Thiệu Hòa, Thiệu Minh, Thiệu Tâm, Thiệu Viên, Thiệu Lý, Thiệu Vận, Thiệu Trung, Thiệu Đô, Thiệu Châu, Thiệu Vân, Thiệu Giao, Thiệu Khánh, Thiệu Dương, Thiệu Tân) vào huyện Đông Sơn. Phần còn lại của huyện Thiệu Hóa (gồm 15 xã: Thiệu Ngọc, Thiệu Vũ, Thiệu Thành, Thiệu Công, Thiệu Long, Thiệu Giang, Thiệu Quang, Thiệu Tiến, Thiệu Phúc, Thiệu Phú, Thiệu Hưng, Thiệu Duy, Thiệu Nguyên, Thiệu Hợp, Thiệu Thịnh) sáp nhập với huyện Yên Định để thành lập huyện Thiệu Yên.

Cùng trong năm 1977, huyện Trung Sơn được thành lập trên cơ sở sáp nhập huyện Hà Trung và huyện Nga Sơn, huyện Vĩnh Thạch được thành lập trên cơ sở sáp nhập huyện Thạch Thành và huyện Vĩnh Lộc, huyện Lương Ngọc được thành lập trên cơ sở sáp nhập huyện Lang Chánh và huyện Ngọc Lặc.

Ngay sau khi thành lập, huyện lỵ Đông Thiệu đã được tỉnh Thanh Hóa cho đặt tại khu vực Ngã ba Chè, thuộc phạm vi các xã Thiệu Đô, Thiệu Vân, Thiệu Trung[2]. Tuy nhiên sau này huyện lỵ lại đặt tại xã Đông Xuân, nay là thị trấn Rừng Thông.

Ngày 30 tháng 8 năm 1982, huyện Đông Thiệu đổi lại là huyện Đông Sơn nhưng vẫn giữ nguyên địa giới (gồm 36 xã). Cũng trong năm 1982, các huyện Trung Sơn, Vĩnh Thạch, Lương Ngọc chia thành các huyện như trước năm 1977.[3]