Cách đây hơn 200 năm (tháng 5-1804), theo Chỉ dụ của vua Gia Long, Trấn thành Thanh Hóa được dời từ làng Dương Xá (xã Thiệu Dương, huyện Thiệu Hóa) về làng Thọ Hạc (huyện Đông Sơn) để xây dựng Trấn lỵ. Đầu năm 1828 quân dân Thanh Hóa bắt đầu xây dựng Trấn thành. Trấn thành Thanh Hóa hình lục lăng, có chu vi 630 trượng (gần 2,6 km), cao 1 trượng (4 m), có hào bao quanh mặt ngoài, Thành mở 4 cửa: Cửa tiền phía Nam, cửa hậu phía Bắc, cửa tả phía Đông Nam, cửa hữu phía Tây Nam. Trong Thành là nơi ăn ở vị trí của các quan trị đầu tỉnh.

          Cách mạng tháng 8 năm 1945 thành công, nước Việt Nam dân chủ công hòa ra đời, ngày 24 tháng 11 năm 1946, Chủ tịch Hồ Chí Minh ký sắc lệnh số 11/SL quy định những thành phố thuộc tỉnh đềi gọi là thị xã. Thành phố Thanh Hóa, mặc nhiên trở thành thị xã của tỉnh Thanh Hóa.

          Cuối năm 1946, cuộc kháng chiến toàn quốc chống thực dân Pháp xâm lược lần thứ 2 bùng nổ, thực hiện tiêu thổ kháng chiến, nhân dân, chính quyền thị xã được sơ tán về các vùng phụ cận, thành lập Ủy ban kháng chiến hành chính thị trấn đặc biệt Thanh Hóa. Đến tháng 7 năm 1954, cuộc kháng chiến chống thực dân Pháp xâm lược kết thúc thắng lợi, hòa bình được lập lại trên miền Bắc, Ủy ban kháng chiến hành chính tỉnh và Ủy ban kháng chiến hành chính đặc biệt của thị trấn trở về tiếp quản thị xã và bắt tay vào xây dựng đô thị mới.

          Ngày 16 tháng 3 năm 1963, Chính phủ nước Việt Nam dân chủ cộng hòa quyết định sát nhập xã Đông Giang (gồm 3 làng Nghĩa Phương, Đông Sơn và Nam Ngạn) thuộc huyện Đông Sơn và xóm Núi xã Hoằng Long, huyện Hoằng Hóa vào thị xã. Ngày 28 tháng 8 năm 1971, Chính phủ ban hành Nghị định số 226/TTg sát nhập xã Đông Vệ, Đông Hương, Đông Hải thuộc huyện Đông Sơn và xã Quảng Thắng thuộc huyện Quảng Xương vào thị xã.

          Ngày 05 tháng 5 năm 1991, Hội đồng Bộ trưởng ra Quyết định số 132/BĐBT về phân loại đô thị, thị xã Thanh Hóa được xếp vào loại đô thị loại 4. Ngày 14 tháng 8 năm 1993, Bộ trưởng Bộ Xây dựng ra Quyết định số 214 BXD/ĐT công nhận thị xã Thanh Hóa là đô thị loại 3.

          Ngày 01 tháng 5 năm 1994, Thủ tướng Chính phủ ký Nghị định 37/CP thành lập thành phố Thanh Hóa, thuộc tỉnh Thanh Hóa trên cơ sở địa giới, diện tích và dân số của thị xã Thanh Hóa.

          Ngày 28 tháng 6 năm 1994, Chính phủ ra Nghị định số 55/CP thành lập phường Đông Thọ, phường Đông Vệ và chia phường Nam Ngạn thành 2 phường Trường Thi và Nam Ngạn.

          Ngày 6 tháng 12 năm 1995, Chính phủ ra Nghị định số 85/CP điều chỉnh địa giới thành phố Thanh Hóa, sáp nhập xã Đông Cương thuộc huyện Đông Sơn, xã Quảng Thành, Quảng Hưng và một phần đất của xã Quảng Thịnh thuộc huyện Quảng Xương vào thành phố.

          Năm 2004, thành phố Thanh Hóa được Thủ tướng Chính phủ công nhận là đô thị loại II (theo Quyết định số 72/2004/QĐ-TTg ngày 29 tháng 4 năm 2004)