Vùng đất Sơn Dương có bề dày lịch sử dài hơn nhiều so với tên gọi hiện tại của nó. Những dấu tích khảo cổ ở chùa Lang Đạo cho thấy ngay từ thời Trần, đây đã là một tụ điểm kinh tế – văn hoá quan trọng bên sông Phó Đáy.
Thời phong kiến
Thời Trần, vùng này gọi là huyện Đáy Giang thuộc lộ Quốc Oai. Thời thuộc Minh gọi là huyện Để Giang — “để” là đáy, “giang” là sông. Năm Quang Thuận thứ 10 (1469) sáp nhập vào phủ Đoan Hùng, trấn Sơn Tây. Đến thời Lê Trung Hưng, huyện đổi tên thành Sơn Dương.
Song song đó, huyện Đăng Đạo — thời thuộc Minh là Đương Đạo thuộc phủ Tuyên Hoá — đến năm Minh Mệnh thứ 14 (1833) được sáp nhập vào huyện Sơn Dương. Tên Đăng Châu ngày nay vẫn còn là tên một thôn của xã.
Về với Tuyên Quang
Ngày 18 tháng 4 năm 1888, Thống sứ Bắc Kỳ tách huyện Sơn Dương khỏi tỉnh Sơn Tây, nhập vào tỉnh Tuyên Quang.
Mùa xuân 1945
Ngày 10 tháng 3 năm 1945, cuộc khởi nghĩa nổ ra tại đình Thanh La, tiến đánh giải phóng đồn Đăng Châu và lập nên Châu Tự Do — chính quyền cách mạng đầu tiên của vùng. Năm 1946, châu Tự Do và châu Kháng Địch hợp thành huyện Sơn Dương.
Tháng 4 năm 1947 — Bác Hồ về Làng Sảo
Đầu tháng 4 năm 1947, Chủ tịch Hồ Chí Minh trở lại Việt Bắc và dừng chân tại Làng Sảo. Đây là nơi ở, làm việc đầu tiên của Người trên đất Tuyên Quang trong cuộc kháng chiến chống thực dân Pháp. Quanh nơi Bác ở còn có trụ sở Phủ Thủ tướng, Bộ Tài chính và nơi làm việc của nhiều đồng chí lãnh đạo.
Ngày 29 tháng 8 năm 1994
Thị trấn Sơn Dương được thành lập trên cơ sở toàn bộ diện tích và dân số của xã Kỳ Lâm, trở thành huyện lỵ huyện Sơn Dương.
Ngày 16 tháng 6 năm 2025
Uỷ ban Thường vụ Quốc hội ban hành Nghị quyết số 1684/NQ-UBTVQH15 giải thể huyện Sơn Dương và sắp xếp lại thành các đơn vị hành chính cấp xã trực thuộc tỉnh. Xã Sơn Dương được thành lập từ ba xã Hợp Thành, Phúc Ứng, Tú Thịnh và thị trấn Sơn Dương, chính thức hoạt động từ ngày 1 tháng 7 năm 2025.