Tỉnh Hà Tây được thành lập vào ngày 21 tháng 3 năm 1965 theo Quyết định số 103-NQ-TVQH của Ủy ban thường vụ Quốc hội trên cơ sở sáp nhập hai tỉnh Sơn Tây và Hà Đông. Trước đó, tỉnh Sơn Tây bao gồm thị xã Sơn Tây và 6 huyện: Bất Bạt, Phúc Thọ, Quảng Oai, Quốc Oai, Thạch Thất, Tùng Thiện; tỉnh Hà Đông gồm thị xã Hà Đông và 8 huyện: Chương Mỹ, Đan Phượng, Hoài Đức, Mỹ Đức, Phú Xuyên, Thanh Oai, Thường Tín, Ứng Hòa.
Khi hợp nhất, tỉnh Hà Tây gồm 2 thị xã: Hà Đông (tỉnh lỵ), Sơn Tây và 14 huyện: Bất Bạt, Chương Mỹ, Đan Phượng, Hoài Đức, Mỹ Đức, Phú Xuyên, Phúc Thọ, Ba Vì, Quốc Oai, Thạch Thất, Thanh Oai, Thường Tín, Tùng Thiện, Ứng Hòa.
Hà Tây có trên 200 làng nghề với những sản phẩm đặc sắc và được nhiều người ưa chuộng như pháo Bình Đà, lụa Vạn Phúc, sơn mài - Duyên Thái, tiện gỗ - Nhị Khê, thêu - Quất Động, Nón Chuông, Quạt Vác, khảm trai Chuyên Mỹ, hàng mây tre Phú Vinh, đồ mộc Chàng Sơn, Sơn Đồng, may Trạch Xá, đàn Đào Xá, mộc Đại Nghiệp, tơ lưới Hà Thao, tò he Xuân La,...
Ngày 26 tháng 7 năm 1968, hợp nhất 3 huyện Bất Bạt, Quảng Oai và Tùng Thiện thành huyện Ba Vì.
Ảnh quá khứ của tỉnh Hà Tây.
Năm 1975 Hà Tây sáp nhập với Hòa Bình thành tỉnh Hà Sơn Bình, tỉnh lỵ vẫn là thị xã Hà Đông.
Ngày 14 tháng 12 năm 1978, cùng với 2 huyện Mê Linh, Sóc Sơn của tỉnh Vĩnh Phú (tức Vĩnh Phúc và Phú Thọ), hai thị xã Sơn Tây, Hà Đông và các huyện Ba Vì, Phúc Thọ, Thạch Thất, Đan Phượng, Hoài Đức được sáp nhập vào thành phố Hà Nội. Tuy nhiên, trên thực tế thị xã Hà Đông vẫn tạm thời là tỉnh lỵ tỉnh Hà Sơn Bình.
Theo Nghị quyết của Quốc hội khóa VIII kỳ họp thứ 9 ngày 12 tháng 8 năm 1991, tỉnh Hà Sơn Bình được chia lại thành hai tỉnh Hòa Bình và Hà Tây. Đồng thời, thị xã Sơn Tây và 5 huyện: Ba Vì, Phúc Thọ, Thạch Thất, Đan Phượng, Hoài Đức thuộc thành phố Hà Nội được chuyển về tỉnh Hà Tây (cùng thời điểm này, huyện Mê Linh của Hà Nội chuyển về tỉnh Vĩnh Phú (từ năm 1997 - 31/7/2008 thuộc tỉnh Vĩnh Phúc quản lý).
Sau khi tái lập, tỉnh Hà Tây có 2.169 km² diện tích tự nhiên và 2.086.926 người với 14 đơn vị hành chính trực thuộc, gồm 2 thị xã: Hà Đông (tỉnh lỵ), Sơn Tây và 12 huyện: Ba Vì, Chương Mỹ, Đan Phượng, Hoài Đức, Mỹ Đức, Phú Xuyên, Phúc Thọ, Quốc Oai, Thạch Thất, Thanh Oai, Thường Tín, Ứng Hòa.
Ngày 27 tháng 12 năm 2006, Chính phủ ban hành Nghị định số 155/2006/NĐ-CP[6]. Theo đó, thành lập thành phố Hà Đông trên cơ sở toàn bộ diện tích và dân số của thị xã Hà Đông. Ngày 2 tháng 8 năm 2007, Chính phủ ban hành Nghị định số 130/2007/NĐ-CP[7]. Theo đó, thành lập thành phố Sơn Tây trên cơ sở toàn bộ diện tích và dân số của thị xã Sơn Tây.
Cuối tháng 7 năm 2008, tỉnh Hà Tây có 2 thành phố: Hà Đông (tỉnh lỵ), Sơn Tây và 12 huyện: Ba Vì, Chương Mỹ, Đan Phượng, Hoài Đức, Mỹ Đức, Phú Xuyên, Phúc Thọ, Quốc Oai, Thạch Thất, Thanh Oai, Thường Tín, Ứng Hòa.
Đếnnăm 2008, Quốc hội ban hành Nghị quyết số 15/2008/QH12 về việc điều chỉnh địa giới hành chính thành phố Hà Nội và một số tỉnh có liên quan (nghị quyết có hiệu lực từ ngày 1 tháng 8 năm 2008). Theo đó, hợp nhất toàn bộ 219.341,11 ha diện tích tự nhiên và 2.568.007 người của tỉnh Hà Tây và 4 xã Đông Xuân, Tiến Xuân, Yên Bình, Yên Trung thuộc huyện Lương Sơn, tỉnh Hòa Bình vào thành phố Hà Nội (cũng trong năm này, huyện Mê Linh của tỉnh Vĩnh Phúc cũng được nhập vào Hà Nội). Từ đó, tỉnh Hà Tây không còn tồn tại.
Năm 2008, toàn bộ diện tích và dân số của tỉnh Hà Tây được sáp nhập vào thủ đô Hà Nội.
Ngày 8 tháng 5 năm 2009, thành phố Hà Đông trở thành một quận của thủ đô Hà Nội, còn thành phố Sơn Tây bị hạ cấp xuống thành thị xã Sơn Tây. Đồng thời, địa giới các huyện Quốc Oai, Thạch Thất cũng được điều chỉnh lại, sáp nhập thêm 4 xã thuộc huyện Lương Sơn, tỉnh Hòa Bình.
Giai đoạn 2023 - 2030, HĐND thành phố Hà Nội đang lấy ý kiến về việc đề xuất tái lập thành phố Hà Đông và thành phố Sơn Tây thuộc thành phố Hà Nội và sáp nhập 4 phường Hà Cầu, Nguyễn Trãi, Quang Trung và Yết Kiêu thành phường Quang Trung, thành phố Hà Đông. Thành phố Hà Đông được chia thành 14 phường trực thuộc.