Trước kia vùng đất Đống Đa là khu phía Tây của huyện Thọ Xương cũ, tỉnh Hà Nội. Trước năm 1945, Đống Đa là phần đất của đại lý Hoàn Long thuộc ngoại thành Hà Nội. Từ năm 1954 – 1961, đây là Khu Văn Miếu và Ô Chợ Dừa. Năm 1961, khu Đống Đa bao gồm các khu vực: Khu phố Đống Đa cũ; Các khối từ 2 đến 14, từ 15 đến 20, từ 22 đến 25 của khu phố Ba Đình cũ; Khu Bệnh viện Bạch Mai của khu phố Bạch Mai cũ; Khu cơng nghiệp Thượng Đình; xã Phương Liên (quận 7 ngoại thành); các thôn Khung Trung, Khương Thượng (xã Tam Khương, quận 7 ngoại thành); Các thôn Thái Hà, Thịnh Quang (thuộc xã Thái Thịnh, quận 6 ngoại thành); các thơn Thịnh Hào, Hồng Cầu (thuộc xã thống nhất, quận 6 ngoại thành) và xóm Chùa của thơn Láng Hạ (thuộc xã Trung Thành, quận 6 ngoại Thành).
Từ năm 1981, khu Đống Đa, chính thức gọi là quận Đống Đa với 24 phường: Văn Miếu, Quốc Tử Giám, Hàng Bột, Nam Đồng, Trung Liệt, Khâm Thiên, Phương Liên, Phương Mai, Khương Thượng, Láng Thượng, Cát Linh, Văn Chương, Ô Chợ Dừa, Quang Trung, Thổ Quan, Trung Phụng, Kim Liên, Trung Tự, Thịnh Quang, Láng Hạ, Nguyễn Trãi, Phương Liệt, Thượng Đình, Thanh Xuân.
Ngày 13/10/1982, theo quyết định số 173-HĐBT của Hội đồng Bộ trưởng, quận Đống Đa thành lập thêm 2 phường: Phường Thanh Xuân Bắc gồm diện tích và nhân khẩu của: thơn Phùng Khoang (xã Trung Văn), thơn Cự Chính (xã Nhân Chính) thuộc huyện Từ Liêm và thôn Triều Khúc (xã Tân Triều) thuộc huyện Thành Trì; phường Kim Giang gồm diện tích và nhân khẩu của thôn Kim Giang, xã Đại Kim, huyện Thanh Trì và đoạn đường ven sơng Tơ Lịch (từ phường Thượng Đình tới Đại Kim). Như vậy, sau khi điều chỉnh, quận Đống Đa có 26 phường.
Ngày 22/11/1996, theo quyết định số 74-CP của Chính phủ, điều chỉnh tồn bộ diện tích và nhân khẩu của các phường: Thượng Đình, Thanh Xuân Bắc, Thanh Xuân, Kim Giang, Phương Liệt; một phần diện tích và nhân khẩu của phường Nguyễn Trãi, của phường Khương Thượng thuộc quận Đống Đa về quận Thanh Xuân quản lý. Phường Nguyễn Trãi còn lại được đổi tên là phường Ngã Tư Sở.
Sau khi điều chỉnh địa giới hành chính, hiện nay quận Đống Đa có 21 phường: Văn Miếu, Quốc Tử Giám, Hàng Bột, Nam Đồng, Trung Liệt, Khâm Thiên, Phương Liên, Phương Mai, Khương Thượng, Ngã Tư Sở, Láng Thượng, Cát Linh, Văn Chương, Ô Chợ Dừa, Quang Trung, Thổ Quan, Trung Phụng, Kim Liên, Trung Tự, Thịnh Quang, Láng Hạ.