Trước đây, Đồng Mai là một xã thuộc huyện Thanh Oai.

Ngày 1 tháng 4 năm 2006, Chính phủ ban hành Nghị định 01/2006/NĐ-CP[3]. Theo đó, chuyển toàn bộ diện tích và dân số của xã Đồng Mai về thị xã Hà Đông quản lý.

Ngày 27 tháng 12 năm 2006, xã Đồng Mai thuộc thành phố Hà Đông mới thành lập.

Ngày 8 tháng 5 năm 2009, Chính phủ ban hành Nghị quyết 19/NQ-CP[1]. Theo đó, thành lập quận Hà Đông trên cơ sở toàn bộ diện tích, dân số của quận Hà Đông và thành lập phường Đồng Mai thuộc quận Hà Đông trên cơ sở toàn bộ diện tích, dân số của xã Đồng Mai.

Sau khi thành lập, phường Đồng Mai có 634,19 ha diện tích tự nhiên, dân số là 13.639 người.