始皇二十六年（前221年）秦置郡县，境属朐县，县先属薛郡，后属郯郡，郯郡后改为东海郡。
三国时魏改东海郡为东海国，朐县属东海国。至晋，朐县仍属东海郡。
南北朝时期，改朐县为朐山县，属朐山郡。
隋初，废朐山郡置海州，朐山县属海州。不久，改海州为东海郡。唐武德元年，改东海郡为海州。
元初，海州升为海州路，后改为海宁府，不久又降为州，朐山县属海宁州。
明初，海宁州仍为海州，隶淮安府。由秦至明初，境内曾属朐县、朐山县、曲阳县、东安县、即邱县、招远县、龙苴县等。
清初，海州为直隶州。现东海县境域明清两朝未设县，为海州地。
民国元年（1912年），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，析县境东部11镇设置新县灌云县。东海县初属江苏省徐海道，后属江苏省第十三、第八行政督察区。
抗日战争时期，由于日军封锁陇海铁路，东海县境域被分割成南北两部分。以陇海铁路为界，中国共产党先后建立了两个抗日民主政府。铁路南于1940年11月建立的东海县民主政府属华中局淮海区，大部分地域属沭阳县，包括今东海县安峰镇、曲阳乡、房山镇、平明镇和张湾乡南部。铁路北于1941年8月建立海陵县民主政府，先后属山东省鲁中南行政区、滨海区、临沂专区。
1945年11月，海陵县更名为东海县。
1949年5月，路
南东海县撤销，辖区并入沭阳县和灌云县，此后，只有一个东海县，属山东临沂专区。陇海铁路北县境西部1933年后属郯城县，包括今桃林镇、山左口乡和李埝乡西部。
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立新海连特区，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，同年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，沭阳县将原属东海县的房山、安峰、平明等地划归东海县，郯城县也将桃林、山左口一带划归东海县，10月，移治新海连市海州城。
1957年11月，东海县由海州迁治今牛山镇。
1983年3月，江苏省实行市管县体制改革，东海县由徐州地区划归连云港市所辖。
