Vùng đất này từng là kinh đô Panduranga của Vương quốc Champa cổ.
Thị xã Phan Rang được thành lập theo đạo dụ của vua Khải Định ban hành ngày 4 tháng 8 năm 1917.
Trước năm 1976, Phan Rang là tỉnh lỵ của tỉnh Ninh Thuận.
Từ năm 1976 đến năm 1992, tỉnh Ninh Thuận hợp nhất với tỉnh Bình Thuận và tỉnh Bình Tuy của Việt Nam Cộng hòa thành tỉnh Thuận Hải, thị xã Phan Rang không còn là tỉnh lỵ.
Ngày 27 tháng 4 năm 1977, Hội đồng Chính phủ ban hành Quyết định 124-CP[5] về việc giải thể thị xã Phan Rang, đồng thời:
- Sáp nhập 6 phường: Mỹ Hương, Tấn Tài, Kinh Dinh, Thanh Sơn, Phủ Hà và Đạo Long vào huyện Ninh Hải để thành lập thị trấn Phan Rang (thị trấn huyện lỵ huyện Ninh Hải).
- Sáp nhập 3 phường: Đô Vinh, Bảo An và Phước Mỹ vào huyện An Sơn mới thành lập để thành lập thị trấn Tháp Chàm (thị trấn huyện lỵ huyện An Sơn).
Ngày 1 tháng 9 năm 1981, tái lập thị xã Phan Rang với tên mới là thị xã Phan Rang – Tháp Chàm theo Quyết định số 45-HĐBT của Hội đồng Bộ trưởng, đồng thời với việc thành lập ba huyện Ninh Sơn, Ninh Hải và Ninh Phước lên cơ sở giải thể 2 huyện An Sơn và Ninh Hải.[6] Lúc này, thị xã Phan Rang – Tháp Chàm gồm 9 phường: Bảo An, Đô Vinh, Phước Mỹ, Phủ Hà, Thanh Sơn, Mỹ Hương, Kinh Dinh, Đạo Long, Tấn Tài và 3 xã: Văn Hải, Khánh Hải và Thành Hải.
Ngày 30 tháng 10 năm 1982, chuyển 2 xã: Mỹ Hải và xã Đông Hải thuộc huyện Ninh Hải về thị xã Phan Rang – Tháp Chàm quản lý.[7] Thị xã Phan Rang – Tháp Chàm có 9 phường và 5 xã trực thuộc.
Tháng 7 năm 1991, chuyển xã Khánh Hải về huyện Ninh Hải quản lý (nay là thị trấn Khánh Hải (thị trấn huyện lỵ của huyện Ninh Hải)).
Năm 1992, tỉnh Ninh Thuận được tái lập, thị xã Phan Rang – Tháp Chàm trở lại là tỉnh lỵ tỉnh Ninh Thuận.[8]
Ngày 25 tháng 12 năm 2001, Chính phủ ban hành Nghị định 99/2001/NĐ-CP[9] về việc:
- Thành lập phường Đông Hải lên cơ sở toàn bộ diện tích tự nhiên và dân số của xã Đông Hải
- Thành lập phường Mỹ Đông lên cơ sở 252,2 ha diện tích tự nhiên và 11.389 nhân khẩu của xã Mỹ Hải
- Thành lập phường Đài Sơn lên cơ sở 112,97 ha diện tích tự nhiên, 5.623 nhân khẩu của xã Thành Hải và 13,3 ha diện tích tự nhiên và 1.352 nhân khẩu của phường Thanh Sơn.
Từ đó, thị xã Phan Rang – Tháp Chàm có 12 phường và 3 xã trực thuộc.
Tháng 1 năm 2005, thị xã Phan Rang – Tháp Chàm được công nhận là đô thị loại III.
Ngày 8 tháng 2 năm 2007, thị xã Phan Rang – Tháp Chàm trở thành thành phố theo Nghị định của Chính phủ.[1]
Ngày 21 tháng 1 năm 2008, Chính phủ ban hành Nghị định 08/2008/NĐ-CP[10]. Theo đó:
- Thành lập phường Mỹ Bình lên cơ sở điều chỉnh 495,76 ha diện tích tự nhiên và 8.076 nhân khẩu của xã Mỹ Hải
- Thành lập phường Mỹ Hải lên cơ sở 221,70 ha diện tích tự nhiên và 4.919 nhân khẩu còn lại của xã Mỹ Hải
- Thành lập phường Văn Hải lên cơ sở toàn bộ 927,11 ha diện tích tự nhiên và 13.909 nhân khẩu của xã Văn Hải.
Thành phố Phan Rang – Tháp Chàm có 15 phường và 1 xã như hiện nay.
Ngày 26 tháng 2 năm 2015, Thủ tướng Chính phủ ban hành Quyết định số 252/QĐ-TTg về việc công nhận thành phố Phan Rang – Tháp Chàm là đô thị loại II.