Xã Tân Thịnh được thành lập vào tháng 2 năm 1954 (tách ra từ xã Phượng Tú). Dưới thời phong kiến châu Định Hóa có 9 tổng 36 xã, các thôn bản ngày nay của xã Tân Thịnh thuộc 3 xã Phượng Vĩ Thượng, Lam Vĩ (thuộc tổng Phượng Vĩ Thượng) và xã Kiền Dương tổng Phượng Vĩ Trung. Năm 1946, để chuẩn bị cho cuộc kháng chiến chống thực dân Pháp, đơn vị hành chính của huyện Định Hóa được sắp xếp lại, theo đó các xã Phượng Vĩ Thượng, Văn La và một số xóm của xã kiền Dương nhập lại thành một xã, đặt tên là Phượng Tú. Tháng 02 năm 1954, do địa hình phức tạp và quá rộng, dân cư thưa thớt, việc điều hành các hoạt động của chính quyền gặp nhiều khó khăn, theo chỉ đạo của cấp trên, tiếp tục điều chỉnh địa giới hành chính, một số xóm bản ở phía đông của xã Phượng Tú tách ra thành lập xã mới, đặt tên là xã Tân Thịnh. Năm 1999, theo Quyết định số 364/CP ngày 06/11/1999 của Chính phủ, chuyển khu vực Cà Đơ và một phần khu vực Đồng Đình nhập vào xã Lam Vĩ. Đến hết năm 2019, xã Tân Thịnh có 22 xóm. Từ năm 2020 đến nay, xã Tân Thịnh có 09 xóm (Khuổi Lừa, Làng Dạ, Làng Đúc, Thịnh Mỹ, Làng Ngõa, Khau Lang, Bản Màn, Đồng Tốc, Đồng Muồng).