Địa bàn phường Đồng Hải hiện nay trước đây vốn là một phần phường Đồng Phú.

Ngày 4 tháng 8 năm 1992, thành lập 2 phường Đồng Mỹ và Hải Đình từ trên cơ sở một phần diện tích và dân số của phường Đồng Phú.

Trước khi sáp nhập, phường Đồng Mỹ có diện tích 0,56 km², dân số là 2.503 người, mật độ dân số đạt 4.470 người/km². Phường Hải Đình có diện tích 1,37 km², dân số là 3.454 người, mật độ dân số đạt 2.521 người/km².

Ngày 10 tháng 1 năm 2020, Ủy ban Thường vụ Quốc hội ban hành Nghị quyết số 862/NQ-UBTVQH14 về việc sắp xếp các đơn vị hành chính cấp xã thuộc tỉnh Quảng Bình (nghị quyết có hiệu lực từ ngày 1 tháng 2 năm 2020)[1]. Theo đó, sáp nhập toàn bộ diện tích và dân số của hai phường Đồng Mỹ và Hải Đình thành phường Đồng Hải.