Sau năm 1954, địa bàn xã Đông Cao hiện nay khi đó là xã Tân Tiến thuộc huyện Phổ Yên.

Ngày 7 tháng 4 năm 1974, Bộ Nội vụ ra Quyết định số 136/NV đổi tên xã Tân Tiến thành xã Đông Cao.

Ngày 15 tháng 5 năm 2015, thành lập thị xã Phổ Yên trên cơ sở toàn bộ diện tích và dân số của huyện Phổ Yên.[3] Xã Đông Cao thuộc thị xã Phổ Yên như hiện nay.

Đến năm 2019, xã Đông Cao được chia thành 24 xóm: Thành, Thượng, Việt Hồng, An Phong, Dỏ, Cò, Đồi, Sắn, Tân Ấp, Đình, Nghè, Trang, Tân Thành, Tân Trung, Dộc, Me, Đông, Trại Cẩm La, Soi, Việt Lâm, Đông Hạ, Trà Thị, Việt Cường, Rùa.

Ngày 11 tháng 12 năm 2019, sáp nhập hai xóm Thượng và Trại Cẩm La thành xóm Thượng Trại, sáp nhập hai xóm Soi và Đông Hạ thành xóm Soi Trại, sáp nhập hai xóm Việt Lâm và Việt Hồng thành xóm Việt Hùng, sáp nhập xóm Tân Trung vào xóm Tân Thành.[4]