Trước đây, địa bàn thị trấn Đại Đình hiện nay là cương vực của 15 làng thuộc tổng Quan Ngoại, huyện Tam Dương (sau này trở thành 15 thôn của xã Đại Đình).

Năm 1927, tổng Quan Ngoại sáp nhập thêm làng Quan Đình và Luận Phẩm, tồn tại đến trước cách mạng tháng Tám năm 1945.

Đến đầu năm 1946, theo chủ trương của Chính phủ, cấp tổng bị bãi bỏ, vì vậy các làng thuộc tổng Quan Ngoại sáp nhập thành xã Đại Đình thuộc huyện Tam Dương.

Ngày 5 tháng 7 năm 1977, huyện Tam Dương sáp nhập với huyện Lập Thạch thành huyện Tam Đảo[3], xã Đại Đình thuộc huyện Tam Đảo.

Ngày 9 tháng 6 năm 1998, huyện Tam Dương được tái lập[4], xã Đại Đình trở lại thuộc huyện Tam Dương.

Ngày 9 tháng 12 năm 2003, Chính phủ ban hành Nghị định số 153/2003/NĐ-CP thành lập huyện Tam Đảo mới, xã Đại Đình chuyển sang trực thuộc huyện Tam Đảo mới.[5]

Ngày 10 tháng 1 năm 2020, Ủy ban Thường vụ Quốc hội ban hành Nghị quyết số 868/NQ-UBTVQH14 về việc sắp xếp các đơn vị hành chính cấp xã thuộc tỉnh Vĩnh Phúc (nghị quyết có hiệu lực từ ngày 1 tháng 2 năm 2020)[1]. Theo đó, thành lập thị trấn Đại Đình trên cơ sở toàn bộ 34,56 km² diện tích tự nhiên và 11.520 người của xã Đại Đình.

Ngày 12 tháng 3 năm 2020, chuyển 15 thôn của thị trấn Đại Đình thành 15 tổ dân phố có tên tương ứng.[6]