Theo lịch sử ghi lại: vào mùa Xuân năm Quý Tỵ (1653), được lệnh chúa Nguyễn Phúc Tần (1648 - 1687), cai cơ Hùng Lộc Hầu đã lấy vùng đất từ bờ Bắc sông Phan Lung (sông Phan Rang, sông Dinh ngày nay) ra đến núi đá Bia - Đèo Cả lập dinh Thái Khang. Vùng đất Phan Rang - Tháp Chàm thuộc phủ Diên Ninh, là một trong hai phủ của dinh Thái Khang lúc bấy giờ. Đến năm 1693, chúa Nguyễn Phúc Chu (1691 - 1725) đã mở rộng đất đai xuống phía Nam, lấy toàn bộ vùng đất từ Phan Rang đến Bình Thuận lập trấn Thuận Thành và chia thành 4 đạo : Phan Rang, Phan Thiết, Ma Li và Phố Hài; từ đó địa danh hành chính Phan Rang chính thức ra đời. Năm Minh Mạng thứ 13 (1832) trấn Thuận Thành được đổi thành hai phủ : Ninh Thuận và Hàm Thuận. Năm Thành Thái thứ 13 (1901) ngày 20/5/1901, triều Nguyễn thành lập tỉnh Phan Rang, bao gồm các đạo Ninh Thuận, huyện An Phước và huyện Tân Khai .
Từ đầu thế kỷ XX đến sau Cách mạng Tháng Tám năm 1945, cùng với tỉnh Ninh Thuận, thành phố Phan Rang - Tháp Chàm cũng trải qua nhiều lần chia tách, tái lập, thay đổi địa danh và địa giới hành chính. Ngày 28/1/1946, thực dân Pháp tái chiếm tỉnh Ninh Thuận, chính quyền cách mạng đã phân chia lại địa bàn và khu vực để thuận lợi cho chỉ đạo kháng chiến. Toàn tỉnh được chia thành 3 huyện : Ninh Hải Hạ, Ninh Hải Thượng và huyện Ninh Sơn (thị xã Phan Rang - Tháp Chàm thuộc Ninh Hải Hạ) và đến tháng 2/1947 bỏ huyện để lập thành 5 vùng, ta gọi vùng đất Phan Rang - Tháp Chàm là vùng 5. Tháng 8/1948, vùng 5 được chính quyền cách mạng đổi thành thị xã Phan Rang - Tháp Chàm; địa danh Phan Rang - Tháp Chàm chính thức biết đến từ đó .
Trước giải phóng ( 16/4/1975 ), địch phân chia Phan Rang - Tháp Chàm thành 2 đơn vị hành chính: thị trấn An Sơn là quận lỵ quận Bửu Sơn ( đóng tại phường Đô Vinh ngày nay). Thị xã Phan Rang là tỉnh lỵ tỉnh Ninh Thuận. Sau giải phóng, Phan Rang - Tháp Chàm có 9 phường: Đô Vinh, Bảo An, Phước Mỹ, Phủ Hà, Thanh Phong, Mỹ Hương, Kinh Dinh, Đạo Long và Tấn Tài, diện tích tự nhiên khoảng 4.500ha với dân số 63.920 người.
Từ tháng 2 năm 1976 đến tháng 4 năm 1977, Phan Rang - Tháp Chàm là tỉnh lỵ của tỉnh Thuận Hải (Đến tháng 6 năm 1977 tỉnh lỵ chuyển về thị xã Phan Thiết). Thực hiện Quyết định số 124/CP ngày 27/4/1977 của Hội đồng Chính phủ, thị xã Phan Rang - Tháp Chàm được tách ra làm 2 thị trấn : thị trấn Phan Rang (gồm 6 phường: Phủ Hà, Thanh Sơn, Mỹ Hương, Kinh Dinh, Đạo Long và Tấn Tài) là huyện lỵ huyện Ninh Hải; thị trấn Tháp Chàm ( gồm 3 phường : Đô Vinh, Bảo An và Phước Mỹ ) là huyện lỵ của huyện An Sơn.
Thực hiện Quyết định số 45-QĐ/HĐBT ngày 1/9/1981 của Hội đồng Bộ trưởng ( nay là Chính phủ ), thị xã Phan Rang - Tháp Chàm được tái lập gồm 9 phường, 3 xã và khu kinh tế mới Sông Than ( thuộc địa bàn huyện Ninh Sơn ) và chính thức đi vào hoạt động từ ngày 1/1/1982; là thị xã trọng điểm khu vực phía Bắc tỉnh Thuận Hải. Đến ngày 26/12/ 1991, kỳ họp thứ X, Quốc hội khóa VIII đã ra quyết định chia tỉnh Thuận Hải thành hai tỉnh Ninh Thuận và Binh Thuận. Tỉnh Ninh Thuận được tái lập và chính thức đi vào hoạt động từ ngày 1 tháng 4 năm 1992; thị xã Phan Rang - Tháp Chàm trở lại vị trí tỉnh lỵ tỉnh Ninh Thuận. Lúc này Phan Rang - Tháp Chàm có 9 phường và 4 xã (xã Khánh Hải đã chuyển giao về huyện Ninh Hải năm 1991), có diện tích tự nhiên 7.937,56 ha với dân số trên 125.000 người .
Ngày 25/12/2001, thực hiện Nghị định số 99/2001/NĐ-CP của Chính phủ, sau khi thành lập và điều chỉnh địa giới hành chính các phường, xã, thị xã Phan Rang - Tháp Chàm có 15 đơn vị hành chính gồm các phường Đô Vinh, Bảo An, Phước Mỹ, Phủ Hà, Thanh Sơn, Mỹ Hương, Đạo Long, Tấn Tài, Kinh Dinh, Mỹ Đông, Đài Sơn, Đông Hải và các xã Thành Hải, Văn Hải, Mỹ Hải với diện tích tự nhiên 7.937,56 ha và dân số trên 135.000 người. Ngày 2/2/2005, Bộ Xây dựng ban hành Quyết định số 132/QĐ-BXD công nhận thị xã Phan Rang - Tháp Chàm là đô thị loại III. Ngày 8/2/2007, Chính phủ ban hành Nghị định số 21/2007/NĐ-CP về việc thành lập thành phố Phan Rang - Tháp Chàm trên cơ sở toàn bộ diện tích tự nhiên, dân số và các đơn vị hành chính trực thuộc của thị xã Phan Rang - Tháp Chàm.
Dân số Thành phố Phan Rang - Tháp Chàm đến năm 2005 là 162.941 người. Mật độ dân số trung bình: 2.054 người/km2 . Phường Kinh Dinh có mật độ dân số cao nhất: 21.847 người/km 2 và phường Đô Vinh có mật độ dân số thấp nhất : 451 người/km2 . Thành phần dân tộc của Thành phố: người Kinh chiếm đa số (98%), người Hoa (0,96%), người Chăm (1,03%)… Thành phố Phan Rang - Tháp Chàm có 38.185 người theo các tôn giáo khác nhau (chiếm 23,57% dân số), trong đó Phật giáo : 26.482 người (16,35%), Thiên chúa giáo : 8.199 người (5,06%), Cao đài : 1.040 người (0,64%), Tin lành : 542 người (0,35%), Bàlamôn 1.562 người (0,96%) .