Huyện Đồng Hỷ được đặt từ thời nhà Trần. Năm 1469, dưới triều vua Lê Thánh Tông đổi thành Đồng Hỷ; sau đổi là huyện Đồng Gia, rồi lại đổi thành Đồng Hỷ; là một trong 7 châu, huyện thuộc phủ Phú Bình. Trong thời nhà Nguyễn (TK XIX), huyện Đồng Hỷ gồm: 9 tổng, 33 xã, thôn, trang, phường; huyện lỵ đặt ở xã Huống Thượng.

• Tổng Túc Duyên có 6 xã, 1 trang, 1 thôn, 1 phường: xã Túc Duyên, xã Đồng Mỗ, xã Phù Liễn, xã Thịnh Đán, xã Sa Kiệt, xã Lưu Xá, trang Mỗ Thượng, thôn Xuân Quang, phường Đồng Hòa.
• Tổng Niệm Quang có 3 xã: Niệm Quang, Tích Mễ, Bá Xuyên.
• Tổng Huống Thượng có 4 xã, 1 phường: Huống Thượng, Linh Nham, Phổ Lý, Đồng Bẩm và phường Huống Thượng (thuỷ cơ).
• Tổng Đồng Bang có 4 xã: Đồng Bang, Cam Giá, Nam Ký, Vân Hán.
• Tổng Hóa Thượng có 3 xã: Hóa Thượng, Hóa Trung, Quang Vinh.
• Tổng Văn Lăng có 4 xã: Vân Lăng, Đặc Kiệt, Sa Lung và Cúc Đường.
• Tổng Thượng Nùng có 2 xã: Thượng Nùng, Thần Sa.
• Tổng Linh Sơn có xã Linh Sơn và thôn La Hiên
• Tổng Minh Lý có xã Minh Lý.

So với các huyện khác trong tỉnh Thái Nguyên, Đồng Hỷ luôn xáo động về địa giới hành chính, nhất là ở thế kỷ XX mà nửa cuối thế kỷ này gần như thập kỷ nào cũng có biến động.

Năm 1901, chính quyền thực dân Pháp cùng với việc điều chỉnh địa giới cấp tỉnh, bỏ cấp phủ, đặt cấp châu, huyện trực thuộc tỉnh đã cắt đất 3 tổng Văn Lăng, Thượng Nùng (nay là Thượng Nung), Linh Sơn về châu Võ Nhai. Tách xã Thịnh Đán, Sa Kiệt (Sa Kệ- Sa Cạt) khỏi tổng Túc Duyên để thành lập tổng Thịnh Đán. Đổi tổng Đồng Bang thành tổng Cam Giá, tách xã Lưu Xá của tổng Túc Duyên về tổng Cam Giá, tách xã Văn Hán khỏi tổng Cam Giá để thành lập tổng mới Văn Hán. Như vậy, ở đầu thế kỷ XX Đồng Hỷ còn 7 tổng là Túc Duyên, Thịnh Đán, Niệm Cuông (Niệm Quang), Hóa Thượng, Cam Giá, Huống Thượng và Vân Hán.

Kể từ năm Gia Long thứ 12 (1813), thành trấn Thái Nguyên (cũng là trấn lỵ, từ 1831 là tỉnh lỵ) được đặt ở làng Đồng Mỗ huyện Đồng Hỷ; dinh tuần phủ Thái Nguyên cũng đặt ở Đồng Mỗ (nay là đất phường Trưng Vương); huyện lỵ Đồng Hỷ ở xã Huống Thượng, đầu thế kỷ XX mới chuyển lên Đồng Mỗ. Cách mạng Tháng Tám thành công (1945), thị xã Thái Nguyên chính thức trở thành một đơn vị hành chính, chính quyền cách mạng của thị xã ra đời - đô thị tỉnh lỵ Thái Nguyên mới trở thành thị xã tỉnh lỵ Thái Nguyên, tách ra khỏi huyện Đồng Hỷ.

Năm 1957, theo quyết định của Thủ tướng Chính phủ, xã Mỏ Sắt thuộc huyện Yên Thế, tỉnh Bắc Giang chuyển giao về huyện Đồng Hỷ (xã Mỏ Sắt sau đổi là xã Hợp Tiến). Huyện Đồng Hỷ có 28 xã: Hợp Tiến, Cây Thị, Nam Hòa, Huống Thượng, Văn Hán, Minh Lập, Khe Mo, Linh Sơn, Cao Ngạn, Hóa Thượng, Hóa Trung, Tân Lợi, Phúc Hà, Thịnh Đán, Phúc Xuân, Phúc Trìu, Tân Cương, Thịnh Đức, Tích Lương, Tân Quang, Bá Xuyên, Bình Sơn, Quang Vinh, Đồng Bẩm, Đồng Quang, Túc Duyên, Gia Sàng, Cam Giá.

Năm 1958, Chính phủ quyết định lấy một phần đất của các xã Đồng Bẩm, Cao Ngạn, Hóa Thượng để thành lập thị trấn Núi Voi và tiểu khu Chiến Thắng trực thuộc thị xã Thái Nguyên.

Ngày 19 tháng 10 năm 1962, Hội đồng Chính phủ ra Quyết định 114-CP về việc thành lập thành phố Thái Nguyên và thị trấn Trại Cau. Thực hiện Quyết định này, Đồng Hỷ chuyển giao về thành phố Thái Nguyên 6 xã là: Cam Giá, Gia Sàng, Túc Duyên, Quang Vinh, Đồng Bẩm, Đồng Quang (trừ xóm Kiến Ninh, Phú Thái và Yên Lập sáp nhập vào xã Thịnh Đán) và cắt ba xóm Thái Thông, Đoàn Kết, Thác Ngạc của xã Tân Lợi để thành lập thị trấn Trại Cau trực thuộc thành phố Thái Nguyên.

Huyện Đồng Hỷ còn lại 22 xã: Bá Xuyên, Bình Sơn, Cao Ngạn, Cây Thị, Hóa Thượng, Hóa Trung, Hợp Tiến, Huống Thượng, Khe Mo, Linh Sơn, Minh Lập, Nam Hòa, Phúc Hà, Phúc Trìu, Phúc Xuân, Tân Cương, Tân Lợi, Tân Quang, Thịnh Đán, Thịnh Đức, Tích Lương, Văn Hán.

Ngày 27 tháng 10 năm 1967, thành lập thị trấn nông trường Sông Cầu.

Ngày 21 tháng 10 năm 1982, huyện tiếp nhận lại thị trấn Trại Cau từ thành phố Thái Nguyên.[6]

Ngày 1 tháng 10 năm 1983, xã Phúc Thọ (xã có nhiều diện tích đất đai bị chìm trong lòng Hồ Núi Cốc) thuộc huyện Đại Từ được sáp nhập với các xóm Tân Thắng, Đồng Đẳng của xã Phúc Thuận thuộc huyện Phổ Yên, xóm Yên Ninh của xã Phúc Trìu thuộc huyện Đồng Hỷ thành xã Phúc Tân thuộc huyện Đồng Hỷ.[7]

Ngày 2 tháng 4 năm 1985, Hội đồng Bộ trưởng ra Quyết định số 102-HĐBT.[8] Theo đó, chuyển 7 xã: Phúc Hà, Phúc Xuân, Phúc Trìu, Tân Cương, Thịnh Đức, Thịnh Đán, Tích Lương thuộc huyện Đồng Hỷ về thành phố Thái Nguyên; chuyển 4 xã: Bá Xuyên, Bình Sơn, Phúc Tân, Tân Quang thuộc huyện Đồng Hỷ về huyện Phổ Yên; chuyển xã Đồng Bẩm và 2 phường Chiến Thắng, Núi Voi thuộc thành phố Thái Nguyên, 4 xã: Tân Long, Văn Lăng, Hòa Bình, Quang Sơn thuộc huyện Võ Nhai về huyện Đồng Hỷ. Đồng thời, sáp nhập 2 phường Chiến Thắng và Núi Voi để thành lập thị trấn Chùa Hang, thị trấn huyện lỵ huyện Đồng Hỷ.

Cuối năm 2007, huyện Đồng Hỷ có 3 thị trấn: Chùa Hang, Trại Cau, thị trấn nông trường Sông Cầu và 17 xã: Cao Ngạn, Cây Thị, Đồng Bẩm, Hòa Bình, Hóa Thượng, Hóa Trung, Hợp Tiến, Huống Thượng, Khe Mo, Linh Sơn, Minh Lập, Nam Hòa, Quang Sơn, Tân Lợi, Tân Long, Văn Hán, Văn Lăng.

Ngày 31 tháng 7 năm 2008, Chính phủ ra Nghị định số 84/2008-CP về việc điều chỉnh địa giới huyện Đồng Hỷ để mở rộng thành phố Thái Nguyên, chuyển 2 xã Cao Ngạn và Đồng Bẩm về thành phố Thái Nguyên quản lý.[9]

Ngày 13 tháng 1 năm 2011, Chính phủ ra Nghị quyết số 05/NQ-CP về giải thể, điều chỉnh địa giới để thành lập các phường, thị trấn trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên; theo đó, thành lập thị trấn Sông Cầu trên cơ sở giải thể thị trấn nông trường Sông Cầu.

Ngày 18 tháng 8 năm 2017, chuyển thị trấn Chùa Hang và 2 xã Linh Sơn, Huống Thượng về thành phố Thái Nguyên quản lý.[2]

Huyện Đồng Hỷ còn lại 2 thị trấn và 13 xã như hiện nay.

Huyện lỵ mới của huyện Đồng Hỷ sẽ được chuyển về xã Hóa Thượng và nằm cạnh Bộ tư lệnh Quân khu 1.