一、縣市分治前
「臺中縣、市」在明鄭時代隸屬早期東都承天府天興縣及後來的東寧承天府天興州。康熙23年（1684）清政府將臺灣收入版圖，設臺灣府，隸屬福建省，「臺中縣、市」係屬於福建省臺灣府諸羅縣轄域。雍正元年（1723）清政府在半線（今彰化縣）以北另增彰化縣及淡水廳，「臺中縣、市」係屬臺灣府彰化縣及淡水廳轄域。清光緒元年（1875）臺灣府分設為臺北府及臺灣府，裁淡水廳改設新竹縣，「臺中縣、市」則隸屬臺灣府彰化縣及臺北府新竹縣。
光緒13年（1887）臺灣正式建省，臺灣與福建在光緒14年（1888）3月3日正式分治，於臺灣省下設臺灣、臺北、臺南3府及臺東1直隸州，下轄11縣4廳， ｢臺中縣、市｣分別隸屬於臺灣府苗栗縣（臺中縣大甲鎮屬之）及臺灣縣轄境。臺灣正式建省後， 選擇臺灣府臺灣縣（今臺中市）作為臺灣省的省會，光緒15年（1889）開始建城。然因經費籌措困難，省城工程於光緒18年（1892）停止，光緒20年（1894）省會遷至臺北，臺灣縣作為臺灣省省會的計畫遂於1892年中止。
明治28年（1895），日本統治臺灣時，改臺灣府為臺灣縣，以臺灣城為治所；明治29年（1896）3月，臺灣總督府恢復實行民政，重新調整行政區域，恢復原來的三縣一廳，分全臺為臺北、臺中、臺南縣及澎湖廳，原臺灣縣改為臺中縣，臺灣城為臺中街，首度稱位於臺北、臺南之間的地區為臺中，「臺中」在行政名稱上正式確立。
明治34年（1901）廢縣置20廳，臺中縣分為苗栗、臺中、南投、彰化、斗六5廳，臺中廳以臺中街為廳治。明治42年（1909）日本政府復將原來之20廳，予以廢合為12廳，其中臺中、彰化二廳及苗栗廳之一部合併為臺中廳。
大正9年（1920），實施地方制度改正，將西部之10廳予以廢合，新設臺北、新竹、臺中、臺南及高雄5州。原臺中、南投二廳再合併為臺中州，臺中州以下共有11郡1市（分別為大屯、彰化、大甲、東勢、豐原、員林、北斗、南投、能高、新高、竹山等11郡及臺中市），州署設於臺中市（即今之臺中市政府州廳辦公室）。其中臺中市與大屯郡的3庄為今日臺中市的轄區，而大甲、東勢、豐原郡與大屯郡的4庄則為今臺中縣轄區。
民國34年（1945年）12月，全臺行政區域重新劃分，設臺北、基隆、新竹、臺中、彰化、嘉義、臺南、高雄、屏東等9省轄市及草山管理局1局，餘劃分為臺北、新竹、臺中、臺南、高雄、臺東、花蓮、澎湖等8縣，並將原有「郡」制改為「區」，「街」改為「鎮」，「庄」改為「鄉」，臺中縣、市正式分治。

二、縣市分治後
（一）臺中市部分
民國35年（1946）元月21日，黃克立就任臺中市長，並將臺中市原有的大正、初音、高砂、明治、大和、若葉、老松、新高、梅枝、楠區10區整併為東、西、南、北、中5區。
民國36年（1947）2月5日，行政長官公署核定將臺中縣的北屯、西屯、南屯三鄉劃歸臺中市。2月10日，臺中市政府舉辦市區擴大接收典禮，全市擴增為8區，總面積為163.4256平方公里。市轄範圍東以旱溪與臺中縣太平市、新社鄉為界；西以西屯區與臺中縣沙鹿鎮、龍井鄉、大肚鄉為界；南毗臺中縣烏日鄉、大里市為界；北以北屯區與豐原市、潭子鄉、新社鄉為界。

（二）臺中縣部分
從戰前臺中州到戰後初期的臺中縣，縣署設於員林鎮，為大縣制時期，臺中縣幅員共 7,382 平方公里，轄大屯、大甲、彰化、員林、北斗（以上為一等區）、豐原、東勢、南投（以上為二等區）、新高（嗣於民國 37 年 5 月改為玉山區）、能高、竹山（以上為三等區）等 11 區，共60鄉鎮（42鄉、18鎮）。接收初期人口總數132萬2,201人，行政組織則暫依日據時期體制，在縣政府下設區署、鄉鎮公所，於35年1月間完成。
民國36年（1947）2月5日大屯區之西屯、南屯、北屯三鄉併入臺中市行政區域管轄（臺中市轄區由5區進而劃分為8區）。民國38年（1949）3月增設中峰區，轄原東勢區之和平鄉、玉山區之信義鄉及能高區之仁愛鄉等3山地鄉。民國39年（1950）1月1日將玉山區之集集鎮劃分為集集鎮及水里鄉。同年7月1日，彰化區之線西鄉劃分為線西及伸港二鄉，至此臺中縣轄12區，共59鄉鎮（41鄉、18鎮）。
民國39年9月，省政府公布「臺灣省各縣市行政區域調整實施方案」，並於同年10月21日將原「大臺中縣」劃分為臺中、彰化、南投三縣，即劃出彰化、員林、北斗3區併同彰化市為彰化縣；劃出南投、玉山、竹山、能高4區及中峰區信義鄉及仁愛鄉併為南投縣；餘豐原、大屯、大甲、東勢4區及中峰區和平鄉則併為臺中縣，轄豐原鎮、內埔鄉、神岡鄉、大雅鄉、潭子鄉、東勢鎮、石岡鄉、新社鄉、大里鄉、霧峰鄉、太平鄉、烏日鄉、清水鎮、梧棲鎮、大甲鎮、沙鹿鎮、外埔鄉、大安鄉、龍井鄉、大肚鄉、和平鄉等21鄉鎮（6鎮、15鄉），總面積為2,051.4712 平方公里，臺中縣縣治由員林鎮遷至豐原鎮。
民國40年（1951）舉行民選縣市長，楊基先當選首屆臺中市長，而臺中縣則由林鶴年當選首屆臺中縣長。
而後，內埔鄉於民國42年（1953）10月10日更名為后里鄉，豐原鎮、大里鄉及太平鄉則分別於民國65年（1976）3月1日、民國82年（1993）11月1日及民國85年（1996）8月1日改制為縣轄市。

三、縣市合併改制直轄市
由於臺灣原有行政區域劃分過細及國土資源分散，為提昇城市規模與競爭力，及緩和區域發展失衡等問題，立法院於民國98年（2009）4月3日三讀通過「地方制度法部分條例修正案」，賦予地方政府申請改制直轄市之權，嗣由行政院於同年6月29日審查通過並公布臺中縣、市合併改制為直轄市「臺中市」，於民國99年（2010）12月25日正式合併升格，總面積2,214.8968平方公里，人口264萬餘人。