Thời nhà Nguyễn, Trà Vinh là tên 1 huyện (trước đó là phủ) thuộc phủ Lạc Hóa, tỉnh Vĩnh Long được lập ra năm 1832.
Vùng đất và tên gọi "Trà Vang", tiền thân của tỉnh Trà Vinh sau này đã có từ trước khi Chúa Nguyễn lập Châu Định Viễn, dựng Dinh Long Hồ vào năm 1732. Như vậy, lúc bấy giờ đất Trà Vinh thuộc Châu Định Viễn.
Năm 1802, sau khi lên ngôi, vua Gia Long bắt tay ngay vào việc sắp xếp và phân định lại ranh giới các đơn vị hành chính trên toàn quốc. Từ đó, Gia Định phủ được đổi thành Gia Định Trấn. Lãnh thổ Gia Định Trấn được phân chia thành 4 dinh và 1 trấn phụ, vùng đất Trà Vinh lúc này thuộc Dinh Vĩnh Trấn.
Năm 1803, vua Gia Long cho lập địa đồ các dinh thuộc Gia Định Trấn và đổi Dinh Vĩnh Trấn thành Dinh Hoằng Trấn. Vùng đất Trà Vinh lúc này thuộc Dinh Hoằng Trấn.
Năm 1808, Gia Long đổi Gia Định Trấn thành Gia Định Thành, Dinh Vĩnh Trấn được đổi thành Trấn Vĩnh Thanh. Lúc bấy giờ, vùng đất Trà Vinh thuộc Trấn Vĩnh Thanh.
Năm 1825, vùng đất Trà Vinh được Vua Minh Mạng lập thành Phủ Lạc Hóa trực thuộc Gia Định Thành gồm hai huyện Trà Vinh và Tuân Mỹ.
Đến năm 1832, Trấn Vĩnh Thanh được đổi tên là Trấn Vĩnh Long. Sau đó, Vua Minh Mạng cho đổi các trấn thành tỉnh. Vùng đất Nam Bộ được chia thành sáu tỉnh, gọi là "Nam Kỳ lục tỉnh" gồm: Biên Hòa, Gia Định, Định Tường, Vĩnh Long, An Giang, Hà Tiên. Lúc này, Trà Vinh là một huyện thuộc Phủ Lạc Hóa tỉnh Vĩnh Long.
Thời Pháp thuộc
Năm 1876, Thống đốc Nam Kỳ ra nghị định phân chia toàn bộ Nam Kỳ thành 4 khu vực hành chính lớn. Trên cơ sở phân chia đó, khu vực hành chính lớn Vĩnh Long gồm 4 tiểu khu: Vĩnh Long, Trà Vinh, Bến Tre, Sa Đéc. Tiểu khu Trà Vinh là tiền thân của tỉnh Trà Vinh sau này.
Trà Vinh được thành lập theo Nghị định ngày 20 tháng 12 năm 1899 của Toàn quyền Đông Dương trên cơ sở đổi tên gọi tiểu khu hay hạt tham biện (arrondissement) thành tỉnh (province) kể từ ngày 1 tháng 1 năm 1900. Tỉnh Trà Vinh là 1 trong 20 tỉnh ở Nam Kỳ lúc bấy giờ.
Năm 1917, tỉnh Trà Vinh có năm quận là Châu Thành, Bắc Trang, Bàng Đa, Càn Long (ban đầu chữ Càn Long được viết như vậy) và Ô Lắc.
Tháng 8 năm 1928, Thống đốc Nam kỳ ra Nghị định phân chia lại địa giới hành chính. Theo đó, tỉnh Trà Vinh bãi bỏ quận Bàng Đa (nhập vào quận Châu Thành) - lỵ sở đặt tại làng Minh Đức, đổi thành Long Đức); đổi tên quận Ô Lắc thành quận Cầu Ngan (ban đầu chữ Cầu Ngan viết như vậy) - lỵ sở dời từ Ô Lắc về làng Minh Thuận; lập quận Tiểu Cần, lỵ sở đặt tại làng Tiểu Cần; dời lỵ sở quận Bắc Trang từ Bắc Trang về Thanh Xuyên; lỵ sở của quận Càng Long đặt tại An Trường (phần đất này nay thuộc thị trấn Càng Long).
Tháng 11 năm 1940, Thống đốc Nam kỳ lại có Nghị định đổi tên quận Bắc Trang thành quận Trà Cú.
Ngày 27 tháng 6 năm 1951, Ủy ban Kháng chiến Hành chính Nam Bộ thuộc chính quyền Việt Nam Dân chủ Cộng hòa quyết định nhập 2 tỉnh Vĩnh Long và Trà Vinh thành một tỉnh có tên là tỉnh Vĩnh Trà. Huyện Tiểu Cần được nhập vào huyện Càng Long. Tuy nhiên, tên gọi tỉnh Vĩnh Trà không được chính quyền Quốc gia Việt Nam của Bảo Đại và chính quyền Việt Nam Cộng hòa công nhận. Tỉnh Vĩnh Trà tồn tại đến năm 1954, sau đó lại trả về tỉnh Vĩnh Long và tỉnh Trà Vinh như cũ.
Thời Việt Nam Cộng hòa
Sau năm 1954, theo phân cấp hành chính của chính quyền Việt Nam Cộng hòa, tỉnh Trà Vinh vẫn gồm 5 quận là: Càng Long, Châu Thành, Cầu Ngang, Tiểu Cần và Trà Cú. Trong khi đó, theo sự phân chia hành chính của chính quyền kháng chiến ngoài 5 huyện này, tỉnh Trà Vinh lại có thêm thị xã Trà Vinh.
Ngày 9 tháng 2 năm 1956, Tổng thống Việt Nam Cộng hòa Ngô Đình Diệm ban hành Sắc lệnh 16-NV thành lập tỉnh Tam Cần trên cơ sở các quận Tam Bình, Trà Ôn, Cầu Kè của tỉnh Vĩnh Long (Trà Ôn, Cầu Kè được tách ra từ tỉnh Cần Thơ và nhập về tỉnh Vĩnh Long từ năm 1948) và quận Tiểu Cần của tỉnh Trà Vinh.
Ngày 21 tháng 7 năm 1956, Chính phủ Việt Nam Cộng hòa thành lập quận Long Toàn thuộc tỉnh Trà Vinh, quận lỵ đặt tại xã Long Toàn.
Ngày 22 tháng 10 năm 1956, Tổng thống Việt Nam Cộng hòa Ngô Đình Diệm ra Sắc lệnh 143-NV về việc giải thể và sáp nhập tỉnh Tam Cần vào tỉnh Trà Vinh, đồng thời đổi tên tỉnh Trà Vinh thành tỉnh Vĩnh Bình; đổi tên xã Long Đức thành xã Phú Vinh và chọn làm lỵ sở của quận Châu Thành, tỉnh Vĩnh Bình. Theo đó, Vĩnh Bình là một trong 43 tỉnh của "lãnh thổ Việt Nam Cộng hòa" và là một trong 22 tỉnh của Nam phần Việt Nam Cộng hòa. Lúc này, tỉnh lỵ tỉnh Vĩnh Bình cũng bị đổi tên tên là "Phú Vinh", do lấy theo tên xã Phú Vinh thuộc quận Châu Thành là nơi đặt tỉnh lỵ.
Năm 1957, tỉnh Vĩnh Bình (Trà Vinh) có 9 quận là Trà Ôn, Vũng Liêm, Càng Long, Cầu Kè, Châu Thành, Tiểu Cần, Trà Cú, Cầu Ngang và Long Toàn. Đến ngày 14 tháng 1 năm 1967 theo sắc lệnh số 06/SL/ĐUHC chính quyền Đệ Nhị Cộng hoà, tách hai quận Vũng Liêm và Trà Ôn ra khỏi tỉnh Vĩnh Bình để nhập vào tỉnh Vĩnh Long, do đó tỉnh Vĩnh Bình cho đến năm 1975 chỉ còn lại bảy quận: Càng Long, Cầu Kè, Châu Thành, Tiểu Cần, Trà Cú, Cầu Ngang và Long Toàn. Đồng thời, tỉnh lỵ tỉnh Vĩnh Bình vẫn giữ nguyên tên là "Phú Vinh" cho đến năm 1975.
Tuy nhiên, chính quyền Mặt trận Dân tộc Giải phóng Miền Nam Việt Nam và sau này là Chính phủ Cách mạng lâm thời Cộng hòa Miền Nam Việt Nam cùng với Việt Nam Dân chủ Cộng hòa không công nhận tên gọi tỉnh Vĩnh Bình mà vẫn gọi theo tên cũ là tỉnh Trà Vinh
Tháng 4 năm 1957, xuất phát từ yêu cầu củng cố lực lượng cho cuộc kháng chiến lâu dài, Tỉnh ủy Trà Vinh quyết định sáp nhập huyện Tiểu Cần vào huyện Cầu Kè. Tháng 2 năm 1961, Tỉnh ủy Trà Vinh quyết định tách xã Long Đức (chính quyền Việt Nam Cộng Hòa gọi là xã Phú Vinh) ra khỏi huyện Châu Thành để nhập vào thị xã Trà Vinh. Tháng 2 năm 1962, Tỉnh ủy Trà Vinh quyết định thành lập huyện Duyên Hải có địa giới trùng với quận Long Toàn của chính quyền Việt Nam Cộng hòa.
Năm 1967, Liên Tỉnh ủy Miền Tây cũng quyết định tách hai huyện Vũng Liêm và Trà Ôn từ tỉnh Trà Vinh để nhập về tỉnh Vĩnh Long. Từ giai đoạn này, tỉnh Trà Vinh cơ bản có địa giới hành chính trùng với hiện nay, bao gồm 8 đơn vị hành chính cấp huyện là thị xã Trà Vinh và 7 huyện: Cầu Kè, Càng Long, Châu Thành, Tiểu Cần, Trà Cú, Cầu Ngang và Duyên Hải.
Thời Cộng hòa Xã hội chủ nghĩa Việt Nam
Sau ngày 30 tháng 4 năm 1975, chính quyền quân quản Cộng hòa miền Nam Việt Nam vẫn duy trì tỉnh Trà Vinh cho đến đầu năm 1976.
Tháng 2 năm 1976, Chính phủ Việt Nam quyết định hợp nhất tỉnh Trà Vinh và tỉnh Vĩnh Long để thành lập một tỉnh mới có tên là tỉnh Cửu Long, tỉnh lỵ đặt tại thị xã Vĩnh Long. Năm 1986, sau nhiều lần sáp nhập và chia tách, tỉnh Cửu Long bao gồm thị xã Vĩnh Long (tỉnh lỵ tỉnh Cửu Long), thị xã Trà Vinh và 12 huyện: Bình Minh, Cầu Kè, Cầu Ngang, Càng Long, Châu Thành, Duyên Hải, Long Hồ, Tam Bình, Tiểu Cần, Trà Cú, Trà Ôn, Vũng Liêm.
Ngày 26 tháng 12 năm 1991, kỳ họp thứ 10 Quốc hội khóa VIII ra nghị quyết giải thể tỉnh Cửu Long để tái lập tỉnh Vĩnh Long và tỉnh Trà Vinh như cũ. Khi tách ra, tỉnh Trà Vinh có diện tích 2363,03 km², dân số 961.638 người, bao gồm thị xã Trà Vinh và 7 huyện: Càng Long, Cầu Kè, Cầu Ngang, Châu Thành, Duyên Hải, Tiểu Cần, Trà Cú
Ngày 4 tháng 3 năm 2010, chuyển thị xã Trà Vinh thành thành phố Trà Vinh trực thuộc tỉnh Trà Vinh.
Ngày 11 tháng 5 năm 2015, thành lập thị xã Duyên Hải trên cơ sở điều chỉnh một phần diện tích tự nhiên và dân số của huyện Duyên Hải.