Tháng 1 năm 2002, huyện Tam Đường được thành lập trên cơ sở 82.843,7 ha diện tích tự nhiên và 52.567 người của huyện Phong Thổ.

Từ đó, huyện Tam Đường có 1 thị trấn Phong Thổ và 14 xã: Nậm Loỏng, Tam Đường, Sùng Phài, Nà Tăm, Khun Há, Bản Hon, Bản Giang, Nùng Nàng, Hồ Thầu, Tả Lèng, Thèn Sin, Lản Nhì Thàng, Bình Lư, Bản Bo.
 
Tháng 11 năm 2003, Quốc hội ra Nghị quyết trong đó chia tỉnh Lai Châu thành tỉnh Lai Châu (mới) và tỉnh Điện Biên; huyện Tam Đường thuộc tỉnh Lai Châu mới, thị trấn Phong Thổ thuộc huyện Tam Đường đồng thời là tỉnh lị.
 
Tháng 10 năm 2004, một phần diện tích và dân số của huyện Tam Đường được tách ra để thành lập thị xã Lai Châu mới, đồng thời thị trấn Tam Đường cũng được thành lập. Huyện Tam Đường còn lại 75.760,70 ha diện tích tự nhiên và 42.131 người. Thị xã Lai Châu cũ (thuộc tỉnh Điện Biên) được đổi thành thị xã Mường Lay.
 
Tháng 12 năm 2006, thành lập xã Sơn Bình thuộc huyện Tam Đường đồng thời chuyển xã Lản Nhì Thàng thuộc huyện Tam Đường về huyện Phong Thổ. Huyện Tam Đường thời điểm này có có 68.656,56 ha diện tích tự nhiên và 40.685 người.
 
Tháng 4 năm 2008, thành lập xã Giang Ma thuộc huyện Tam Đường. Huyện Tam Đường lúc này có 68.472,56 ha diện tích tự nhiên và 46.271 người.