Huyện Đồng Hỷ có 15 đơn vị hành chính trực thuộc, bao gồm 2 thị trấn: Sông Cầu, Trại Cau và 13 xã: Cây Thị, Hóa Thượng (huyện lỵ), Hóa Trung, Hòa Bình, Hợp Tiến, Khe Mo, Minh Lập, Nam Hòa, Quang Sơn, Tân Lợi, Tân Long, Văn Hán, Văn Lăng.

Huyện lỵ mới của huyện Đồng Hỷ đặt tại xã Hóa Thượng do thị trấn Chùa Hang, huyện lỵ cũ đã chuyển về thành phố Thái Nguyên vào ngày 18 tháng 8 năm 2017. Tuy nhiên, do trụ sở hành chính của huyện chưa xây xong, nên hiện tại huyện Đồng Hỷ vẫn tiếp tục sử dụng trụ sở cũ tại phường Chùa Hang, thành phố Thái Nguyên.