จากคำบอกเล่าต่อกันมานานว่า มีหมู่บ้านอยู่หมู่บ้านหนึ่ง ปัจจุบันห่างจากที่ว่าการอำเภอขามทะเลสอ ออกไปทางทิศตะวันออก ประมาณ 5 กิโลเมตร ชื่อว่า "บ้านขามทะเลสอ" หมู่บ้านดังกล่าวนี้ตั้งอยู่ริมฝั่งบึงแห่งหนึ่ง อยู่ทางทิศตะวันออกของหมู่บ้าน ซึ่งบึงแห่งนี้ในฤดูแล้งน้ำจะแห้งขอด และเมื่อน้ำในบึงแห้งสนิทดินในบึงจะเป็นสีขาว มีลักษณะคล้ายดินสอพลอง จนชาวบ้านเรียกติดปากว่า "ดินสอ" หรือ "สอ" เมื่อน้ำในบึงแห้งลงไปถึงบริเวณไหน ดินบริเวณนั้นจะกลายเป็นสีขาวถึงที่นั้นจนเมื่อน้ำแห้งหมดบึง ก็จะแลเห็นสีขาวทั่วทั้งบึง มองดูกว้างไกลคล้ายทะเล ชาวบ้านจึงเรียกบึงนี้ว่า "บึงทะเลสอ" และต่อมาได้มีผู้เอาชื่อบ้านกับชื่อบึงมารวมกัน แล้วเรียกชื่อหมู่บ้านนี้ว่า "บ้านขามทะเลสอ" ตราบจนทุกวันนี้

เดิมนั้นหมู่บ้านขามทะเลสอ อยู่ในเขตการปกครองของอำเภอโนนไทยเมื่อมีประชาชนมาอยู่รวมกันมากขึ้น ก็ได้ยกฐานะเป็นตำบลขามทะเลสอ

• พ.ศ. 2466 ก็ได้ย้ายเขตการปกครองไปขึ้นอยู่กับอำเภอสูงเนิน[1]
• วันที่ 16 กุมภาพันธ์ 2502 แยกพื้นที่ตำบลขามทะเลสอ และตำบลโป่งแดง อำเภอสูงเนิน มาตั้งเป็น กิ่งอำเภอขามทะเลสอ ขึ้นกับอำเภอสูงเนิน [2]
• วันที่ 16 มีนาคม 2503 โอนพื้นที่ตำบลหนองสรวง อำเภอโนนไทย มาขึ้นกับ กิ่งอำเภอขามทะเลสอ และ โอนหมู่ 2 และ หมู่ 7 (ในขณะนั้น) ของตำบลด่านใน อำเภอด่านขุนทด มาขึ้นกับกิ่งอำเภอขามทะเลสอ [3]
• วันที่ 17 พฤศจิกายน 2503 กำหนดเขตตำบลหนองสรวง โดยให้หมู่บ้านที่โอนมาจากตำบลด่านใน อำเภอด่านขุนทด (หมู่ 2 และ หมู่ 7) ตั้งเป็น หมู่ 5 และ หมู่ 6 ของตำบลหนองสรวง [4]
• วันที่ 22 มีนาคม 2506 จัดตั้งสุขาภิบาลขามทะเลสอ ในท้องที่บางส่วนของตำบลขามทะเลสอ [5]
• วันที่ 19 พฤษภาคม 2508 โอนพื้นที่ตำบลพันดุง อำเภอโนนไทย ไปขึ้นกับ กิ่งอำเภอขามทะเลสอ [6]
• วันที่ 28 กรกฎาคม 2508 ยกฐานะเป็น อำเภอขามทะเลสอ [7]
• วันที่ 7 ธันวาคม 2509 โอนพื้นที่หมู่ 6 (ในขณะนั้น) ของตำบลค้างพลู อำเภอโนนไทย มาขึ้นกับตำบลหนองสรวง [8]
• วันที่ 15 กันยายน 2514 โอนพื้นที่หมู่ 4 (ในตอนนั้น) จากตำบลค้างพลู อำเภอโนนไทย มาขึ้นกับตำบลหนองสรวง [9]
• วันที่ 1 กรกฎาคม 2525 ตั้งตำบลบึงอ้อ แยกจากตำบลหนองสรวง และ ตำบลพันดุง [10]
• วันที่ 25 พฤษภาคม 2542 ยกฐานะจากสุขาภิบาลขามทะเลสอ เป็น เทศบาลตำบลขามทะเลสอ