Đồng Liên trước đây vốn là một xã thuộc huyện Phú Bình.

Ngày 18 tháng 8 năm 2017, sáp nhập toàn bộ diện tích và dân số của xã Đồng Liên vào thành phố Thái Nguyên.[2]

Đến năm 2019, xã Đồng Liên được chia thành 10 xóm: Đồng Tâm, Đá Gân, Thùng Ong, Đồng Cão, Đồng Ao, Đồng Tân, Trà Viên, Bo, Đồng Vạn, Xuân Đám.

Ngày 11 tháng 12 năm 2019, sáp nhập hai xóm Đá Gân và Thùng Ong thành xóm Toàn Thắng 1, sáp nhập hai xóm Đồng Cão và Bo thành xóm Toàn Thắng 2.[3]