Duy Tiên ban đầu có tên là huyện Duy Tân (維新縣), được thành lập và đặt tên năm Quang Thuận thứ 10 (1469) đời Lê Thánh Tông.
Đến đời Lê Trung Hưng, đầu niên hiệu Hoằng Định (1601-1619) do kiêng tên huý Kính Tông Lê Duy Tân, đổi là huyện Duy Tiên (維先縣).
Sau năm 1954, huyện Duy Tiên có 27 xã: Bạch Thượng, Châu Sơn, Chuyên Mỹ, Chuyên Nội, Đọi Sơn, Duy Hải, Duy Minh, Mộc Bắc, Mộc Nam, Thắng Lợi, Thành Công, Tiên Hải, Tiên Hiệp, Tiên Hồng, Tiên Hòa, Tiên Hương, Tiên Lý, Tiên Minh, Tiên Ngoại, Tiên Nội, Tiên Phong, Tiên Tân, Tiên Thái, Tiên Thắng, Tiên Yên, Trác Bút, Yên Hà.
Ngày 25 tháng 4 năm 1967, Bộ Nội vụ ban hành Quyết định 163-NV hợp nhất một số xã thuộc huyện Duy Tiên[3]. Theo đó:
- Hợp nhất hai xã Chuyên Mỹ và Yên Hà thành một xã lấy tên là xã Chuyên Ngoại
- Hợp nhất hai xã Thắng Lợi và Thành Công thành một xã lấy tên là xã Trác Văn
- Hợp nhất hai xã Tiên Hương và Tiên Minh thành một xã lấy tên là xã Yên Nam
- Hợp nhất hai xã Tiên Hồng và Tiên Hòa thành một xã lấy tên là xã Lam Hạ
- Hợp nhất hai xã Tiên Thái và Tiên Lý thành một xã lấy tên là xã Hoàng Đông.
Ngày 18 tháng 12 năm 1976, Phủ Thủ tướng ban hành Quyết định 1507-TTCP hợp nhất một số xã thuộc huyện Duy Tiên. Theo đó:
- Hợp nhất hai xã Tiên Thắng và Tiên Yên thành một xã lấy tên là xã Yên Bắc
- Hợp nhất hai xã Trác Bút, Chuyên Nội và thôn Duyên Giang (xã Tiên Yên) thành một xã lấy tên là xã Châu Giang.
Ngày 10 tháng 1 năm 1984, thành lập thị trấn Đồng Văn trên cơ sở một phần diện và dân số của các xã Duy Minh và Hoàng Đông.[4]
Ngày 1 tháng 4 năm 1986, thành lập thị trấn Hòa Mạc - thị trấn huyện lị của huyện Duy Tiên - trên cơ sở một phần diện và dân số của các xã Trác Văn và Yên Bắc.[5]
Cuối năm 1999, huyện Duy Tiên có 2 thị trấn: Hòa Mạc, Đồng Văn và 20 xã: Bạch Thượng, Châu Giang, Châu Sơn, Chuyên Ngoại, Đọi Sơn, Duy Hải, Duy Minh, Hoàng Đông, Lam Hạ, Mộc Bắc, Mộc Nam, Tiên Hải, Tiên Hiệp, Tiên Ngoại, Tiên Nội, Tiên Phong, Tiên Tân, Trác Văn, Yên Bắc, Yên Nam.
Ngày 25 tháng 9 năm 2000, xã Lam Hạ được sáp nhập vào thị xã Phủ Lý (nay là phường Lam Hạ và một phần phường Quang Trung thuộc thành phố Phủ Lý).[6]
Ngày 23 tháng 7 năm 2013, các xã Tiên Tân, Tiên Hiệp và Tiên Hải được sáp nhập vào thành phố Phủ Lý[7]. Huyện Duy Tiên còn lại 2 thị trấn và 16 xã.
Ngày 29 tháng 12 năm 2017, huyện Duy Tiên được công nhận đạt tiêu chuẩn đô thị loại IV.
Cuối năm 2018, huyện Duy Tiên có 2 thị trấn: Hòa Mạc (huyện lị), Đồng Văn và 16 xã: Bạch Thượng, Châu Giang, Châu Sơn, Chuyên Ngoại, Đọi Sơn, Duy Hải, Duy Minh, Hoàng Đông, Mộc Bắc, Mộc Nam, Tiên Ngoại, Tiên Nội, Tiên Phong, Trác Văn, Yên Bắc, Yên Nam.
Ngày 17 tháng 12 năm 2019, Ủy ban Thường vụ Quốc hội ban hành Nghị quyết số 829/NQ-UBTVQH14 về việc sắp xếp các đơn vị hành chính cấp huyện, cấp xã thuộc tỉnh Hà Nam (nghị quyết có hiệu lực từ ngày 1 tháng 1 năm 2020)[1]. Theo đó:
- Thành lập thị xã Duy Tiên trên cơ sở toàn bộ diện tích và dân số của huyện Duy Tiên.
- Điều chỉnh địa giới hành chính 2 thị trấn: Đồng Văn, Hòa Mạc và 7 xã: Bạch Thượng, Châu Giang, Duy Hải, Duy Minh, Hoàng Đông, Tiên Nội, Yên Bắc để thành lập 9 phường có tên tương ứng.
- Sáp nhập 3 xã Tiên Phong, Đọi Sơn, Châu Sơn để thành lập xã Tiên Sơn.
Sau khi thành lập, thị xã Duy Tiên có 9 phường và 7 xã trực thuộc như hiện nay.
