Trước năm 1975, Đồng Xoài là quận lỵ quận Đôn Luân, tỉnh Phước Long, được thành lập ngày 24 tháng 7 năm 1961 và tồn tại đến năm 1975.

Sau năm 1975, quận Đôn Luân đổi thành huyện Đồng Xoài.

Tháng 2 năm 1976, 3 tỉnh Bình Dương, Bình Long, Phước Long hợp nhất thành tỉnh Sông Bé, huyện Đồng Xoài thuộc tỉnh Sông Bé.

Ngày 11 tháng 3 năm 1977, huyện Đồng Xoài hợp nhất với huyện Phú Giáo thành huyện Đồng Phú, huyện lỵ đặt tại xã Đồng Xoài.

Ngày 1 tháng 8 năm 1994, xã Đồng Xoài được chia thành 2 đơn vị hành chính là thị trấn Đồng Xoài và xã Đồng Tâm.

Ngày 6 tháng 11 năm 1996, tỉnh Sông Bé tách thành 2 tỉnh Bình Phước và Bình Dương, huyện Đồng Phú thuộc tỉnh Bình Phước. Đồng thời, tỉnh lỵ tỉnh Bình Phước đặt tại thị trấn Đồng Xoài, huyện Đồng Phú.

Thị xã Đồng Xoài được thành lập ngày 1 tháng 9 năm 1999 trên cơ sở toàn bộ diện tích và dân số của thị trấn Đồng Xoài; 8.028 ha diện tích tự nhiên và 10.816 nhân khẩu của xã Tân Thành; 689 ha diện tích tự nhiên và 2.387 nhân khẩu của xã Tân Phước; 120 ha diện tích tự nhiên và 394 nhân khẩu của xã Thuận Lợi và 5.200 ha diện tích tự nhiên và 7.361 nhân khẩu của xã Tân Hưng thuộc huyện Đồng Phú; thành lập 4 phường Tân Đồng, Tân Xuân, Tân Bình, Tân Phú và 3 xã: Tiến Thành, Tân Thành, Tiến Hưng[1].

Ngày 28 tháng 3 năm 2007, thành lập phường Tân Thiện trên cơ sở điều chỉnh 360 ha diện tích tự nhiên và 8.664 nhân khẩu của phường Tân Xuân[6].

Ngày 25 tháng 11 năm 2014, Bộ Xây dựng ban hành Quyết định số 1388/QĐ-BXD công nhận thị xã Đồng Xoài là đô thị loại III trực thuộc tỉnh Bình Phước[7].

Ngày 16 tháng 10 năm 2018, Ủy ban Thường vụ Quốc hội thông qua Nghị quyết 587/NQ-UBTVQH14[2]. Theo đó:

• Thành lập phường Tiến Thành trên cơ sở toàn bộ 25,61 km² diện tích tự nhiên và 11.909 người của xã Tiến Thành
• Thành lập thành phố Đồng Xoài trên cơ sở toàn bộ 167,32 km² diện tích tự nhiên và 150.052 người của thị xã Đồng Xoài.

Sau khi thành lập, thành phố Đồng Xoài có 6 phường và 2 xã trực thuộc.