夏、商时属徐州，西周时属青州，春秋时属鲁国东境的郯子国，战国时易为楚地。秦始皇二十六年（前221）境属东海郡朐县。秦至元先后称朐县、朐山县等，明清时为海州地。民国元年（1912年）1月，改海州直隶州为东海县，县治设于今海州城。因东濒大海，沿用古东海县名。1912年4月，东灌分治，析东海县东境之地11镇，设置灌云县。东海县初属江苏省徐海道，后属江苏省第八行政区。
抗日战争时期，东海县南部和北部建立的抗日民主政权，基本以陇海铁路为界分属华中和山东两大抗日根据地。1939年3月，日军侵占海州后建伪县政权。民国县政府转移农村，至1941年冬解体。日军封锁陇海铁路，东海县被分割成南北两部分。南部：1940年11月，隶属华中淮海区的东海县民主政府建立，县境南部为其所辖，直至1949年5月撤销，其所辖并入沭阳县和灌云县。南部建立的东海县大部分地域属沭阳县，包括现在东海的安峰镇、曲阳乡、房山镇、平明镇和张湾乡南部。北部：1941年8月建立海陵县。海陵县民主政府隶属山东抗日根据地鲁南区第一行署，后属滨海专署。陇海铁路北县境西部1933年后属郯城，包括现在的桃林镇、山左口乡和李埝乡西部。全国解放战争时期，1945年11月中旬，海陵县更名为东海县。县城海州及新浦地区，抗日战争期间为日伪盘踞，建伪政权，全国解放战争时期被国民党军占领。
1948年11月，东海县全境解放，析县境海州、新浦二镇与连云市建新海连特区，旋改新海连市，海州、新浦为所辖。1950年5月，东海县与新海连市合并为新海县，12月又分置。东海县治东石榴树村，隶属山东省临沂专区。1953年1月，东海县改属江苏省徐州专区；同时，将沭阳县的原属东海县的房山、安峰、平明等地，郯城县桃林、山左口一带划归东海县；10月，东海县移治新海连市海州城。1957年11月，迁治现在的牛山镇。1983年3月隶属连云港市。
1996年，东海县面积2248平方千米，人口105万人。辖11个镇、13个乡：牛山镇、温泉镇、桃林镇、房山镇、白塔埠镇、青湖镇、浦南镇、黄川镇、石榴镇、石梁河镇、平明镇、李埝乡、洪庄乡、曲阳乡、牛山乡、安峰乡、张湾乡、山左口乡、驼峰乡、石埠乡、双店乡、石湖乡、横沟乡、南晨乡。县政府驻牛山镇。
2000年第五次人口普查，东海县（辖14个镇、8个乡）总人口1110952人，其中：牛山镇120878人，白塔埠镇56903人，浦南镇55164人，黄川镇59608人，石梁河镇39289人，青湖镇53111人，石榴镇61312人，温泉镇15136人，双店镇44592人，桃林镇65746人，洪庄镇31612人，安峰镇64961人，房山镇74690人，平明镇69744人，驼峰乡64042人，南辰乡15331人，横沟乡31242人，李埝乡31818人，山左口乡35726人，石湖乡29145人，曲阳乡35040人，张湾乡31940人，岗埠农场23922人。
2004年末，全县总人口114.43万人。辖14个镇、8个乡。牛山镇面积92.79平方千米，人口125200人。白塔镇面积103.29平方千米，人口58755人。浦南镇面积123.55平方千米，人口57925人。黄川镇面积93.83平方千米，人口58561人。石梁河镇面积70.83平方千米，人口40142人。青湖镇面积94.33平方千米，人口54510人。石榴镇面积70.40平方千米，人口59673人。温泉镇面积35.82平方千米，人口15454人。双店镇面积117.45平方千米，人口47647人。桃林镇面积169.78平方千米，人口67902人。洪庄镇面积67.19平方千米，人口32675人。安峰镇面积134.17平方千米，人口62703人。房山镇面积149.72平方千米，人口75854人。平明镇面积157.31平方千米，人口70792人。驼峰乡面积104.25平方千米，人口63454人。南辰乡面积30.50平方千米，人口18161人。横沟乡面积66.89平方千米，人口31992人。李埝乡面积70.09平方千米，人口30590人。山左口乡面积89.09平方千米，人口39948人。石湖乡面积72.26平方千米，人口28547人。曲阳乡面积75.42平方千米，人口35958人。张湾乡面积95.00平方千米，人口31625人。（数据来源于《江苏省统计年鉴》）
2006年末，东海县总面积2250平方千米，总人口117.34万人。辖14个镇、8个乡：牛山镇、白塔埠镇、浦南镇、黄川镇、石梁河镇、青湖镇、石榴镇、温泉镇、双店镇、桃林镇、洪庄镇、安峰镇、房山镇、平明镇、驼峰乡、南辰乡、横沟乡、李埝乡、山左口乡、石湖乡、曲阳乡、张湾乡；岗埠农场。
2008年，将东海县浦南镇划归连云港市新浦区管辖，并将江苏省国营岗埠农场划入新浦区行政区域（2007年末江苏省政府批准）。行政区划调整后，东海县行政区域面积2040.9平方千米，人口108.8万人，辖13个镇、8个乡。辖13个镇、8个乡：牛山镇、白塔埠镇、黄川镇、石梁河镇、青湖镇、石榴镇、温泉镇、双店镇、桃林镇、洪庄镇、安峰镇、房山镇、平明镇、驼峰乡、南辰乡、横沟乡、李埝乡、山左口乡、石湖乡、曲阳乡、张湾乡。县政府驻牛山镇。
2009年末，东海县总面积2037平方千米，总人口29.04万户113.16万人。其中：牛山镇面积92.79平方千米、人口137425人，白塔埠镇面积103.29平方千米、人口58142人，黄川镇面积93.83平方千米、人口59226人，石梁河镇面积71.66平方千米、人口41885人，青湖镇面积94.33平方千米、人口56082人，石榴镇面积70.4平方千米、人口60743人，温泉镇面积35.82平方千米、人口14713人，双店镇面积117平方千米、人口48120人，桃林镇面积169.78平方千米、人口72819人，洪庄镇面积67.19平方千米、人口34607人，安峰镇面积134.17平方千米、人口66527人，房山镇面积149.72平方千米、人口78000人，平明镇面积157.31平方千米、人口72471人，驼峰乡面积104.25平方千米、人口61333人，南辰乡面积30.5平方千米、人口18186人，横沟乡面积66.89平方千米、人口32630人，李埝乡面积70.09平方千米、人口33165人，山左口乡面积89.06平方千米、人口42536人，石湖乡面积72.26平方千米、人口32291人，曲阳乡面积75.42平方千米、人口36850人，张湾乡面积95平方千米、人口32965人。（数据来源于《江苏省统计年鉴》）
2010年第六次人口普查，东海县常住总人口952668人，其中：牛山镇149511人，白塔埠镇50231人，黄川镇53121人，石梁河镇34350人，青湖镇45322人，石榴镇63047人，温泉镇13754人，双店镇42403人，桃林镇57459人，洪庄镇24230人，安峰镇55617人，房山镇60877人，平明镇59740人，驼峰乡48244人，南辰乡15180人，横沟乡27399人，李埝乡31179人，山左口乡32020人，石湖乡24528人，曲阳乡29325人，张湾乡24097人，江苏东海经济开发区11034人。
2013年1月31日，江苏省政府（苏政复[2013]22号）批准同意撤销牛山镇，以原牛山镇行政区域设立牛山街道；撤销石榴镇，以原石榴镇行政区域设立石榴街道；撤销南辰乡、石梁河镇，设立新的石梁河镇；撤销横沟乡、温泉镇，设立新的温泉镇。调整后，全县辖2个街道、11个镇、6个乡：牛山街道、石榴街道、白塔埠镇、黄川镇、石梁河镇、青湖镇、温泉镇、双店镇、桃林镇、洪庄镇、安峰镇、房山镇、平明镇、驼峰乡、李埝乡、山左口乡、石湖乡、曲阳乡、张湾乡。县政府驻牛山街道晶都大道。