อำเภอเมืองนนทบุรีในครั้งแรกนั้นมีชื่อว่า อำเภอตลาดขวัญ ไม่ปรากฏหลักฐานชัดเจนว่ามีฐานะเป็นอำเภอตั้งแต่เมื่อใด แต่ปรากฏชื่ออำเภอนี้ในชื่อเอกสารที่ประกาศลงราชกิจจานุเบกษาอย่างน้อยตั้งแต่ปี พ.ศ. 2445 ซึ่งตรงกับรัชสมัยพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว และต่อมาได้เปลี่ยนชื่อเป็น อำเภอนนทบุรี โดยปรากฏชื่อเอกสารเกี่ยวข้องกับชื่ออำเภอนี้ในราชกิจจานุเบกษาอย่างน้อยตั้งแต่ปี พ.ศ. 2466 ที่ว่าการอำเภอตั้งอยู่ในตัวอาคารศาลากลางเมืองนนทบุรี ข้างวัดท้ายเมือง ตำบลตลาดขวัญ[3] (ปัจจุบันอยู่ในเขตตำบลสวนใหญ่)

เนื่องจากอำเภอนนทบุรีมีอาณาเขตกว้างขวาง บางท้องที่อยู่ห่างไกลจากตัวอำเภอมาก กระทรวงนครบาล (หน่วยงานที่ดูแลหัวเมืองต่าง ๆ ในมณฑลกรุงเทพขณะนั้น) จึงพิจารณาโอนตำบลท่าอิฐซึ่งตั้งอยู่ทางทิศตะวันตกเฉียงเหนือไปขึ้นกับอำเภอปากเกร็ดในปี พ.ศ. 2463[4] และโอนตำบลบางเลนซึ่งตั้งอยู่ทางด้านตะวันตกสุดของอำเภอไปขึ้นกับอำเภอบางแม่นางในปี พ.ศ. 2464[5] ณ ปี พ.ศ. 2470 อำเภอนนทบุรีจึงเหลือท้องที่การปกครองอยู่ 12 ตำบล ได้แก่ ตำบลตลาดขวัญ ตำบลบางกระสอ ตำบลท่าทราย ตำบลลาดโตนด ตำบลบางเขน ตำบลบางตะนาวศรี (สวนใหญ่) ตำบลบางไผ่ ตำบลบางสีเมือง (บางศรีเมือง) ตำบลบางกร่าง ตำบลบางข่า ตำบลบางรักน้อย และตำบลไทรม้า[6]

ในวันที่ 26 ตุลาคม พ.ศ. 2475 ทางราชการได้โอนพื้นที่ตำบลลาดโตนดซึ่งตั้งอยู่ทางฟากตะวันออกของคลองประปาไปขึ้นกับอำเภอบางเขน จังหวัดพระนคร เพื่อความสะดวกในการตรวจตราของเจ้าหน้าที่และความสะดวกในการติดต่อราชการของประชาชน[7] เท่ากับว่าแนวเขตการปกครองระหว่างจังหวัดทั้งสองได้เปลี่ยนแปลงตามไปด้วย เนื่องจากแต่เดิมจังหวัดนนทบุรีมีอาณาเขตด้านตะวันออกติดต่อกับจังหวัดพระนครโดยใช้คลองเปรมประชากรตั้งแต่สี่แยกบางเขนขึ้นไปจนถึงคลองบ้านใหม่ตลาดเนื้อเป็นเส้นแบ่งเขต[8] ในช่วงนี้อำเภอนนทบุรีได้ย้ายที่ว่าการอำเภอมาอยู่ที่โรงเรียนราชวิทยาลัย บ้านบางขวาง ตำบลบางตะนาวศรีแล้ว (ปัจจุบันคือศาลากลางจังหวัดหลังเก่าบริเวณท่าน้ำนนทบุรี ตำบลสวนใหญ่) ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2471[3]

ในวันที่ 14 พฤศจิกายน พ.ศ. 2481 ได้มีพระราชกฤษฎีกาเปลี่ยนชื่ออำเภอนนทบุรีเป็น อำเภอเมืองนนทบุรี[9] ทั้งนี้ เนื่องมาจากทางราชการมีนโยบายเปลี่ยนชื่ออำเภอที่เป็นที่ตั้งจังหวัดเป็น "อำเภอเมือง..." อย่างไรก็ตามในวันที่ 1 มกราคม พ.ศ. 2486 จังหวัดนนทบุรีก็ถูกยุบลงเพื่อเป็นการประหยัดงบประมาณราชการ เนื่องจากขณะนั้นอยู่ในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2 ซึ่งก่อให้เกิดปัญหาสภาวะเศรษฐกิจตกต่ำ อำเภอเมืองนนทบุรีจึงย้ายไปขึ้นกับจังหวัดพระนครและได้มีพระราชกฤษฎีกาเปลี่ยนชื่อเป็น "อำเภอนนทบุรี"[10] จนกระทั่งวันที่ 9 พฤษภาคม พ.ศ. 2489 ได้มีพระราชบัญญัติจัดตั้งจังหวัดนนทบุรีขึ้นมาอีกครั้งหนึ่ง[11] อำเภอนนทบุรีจึงเปลี่ยนชื่อกลับมาเป็น "อำเภอเมืองนนทบุรี"[12] ตั้งแต่นั้น

ตลอดเวลาที่ผ่านมาได้มีการปรับปรุงเขตการปกครองระดับตำบลภายในท้องที่อยู่เนือง ๆ เช่น ตำบลบางไผ่ถูกยุบรวมเข้ากับตำบลบางศรีเมือง ตำบลบางข่าถูกยุบรวมเข้ากับตำบลบางกร่าง เป็นต้น จนกระทั่งในวันที่ 8 พฤษภาคม พ.ศ. 2490 ได้มีประกาศกระทรวงมหาดไทยจัดตั้งตำบลขึ้นใหม่อีกครั้ง โดยแบ่งพื้นที่บางส่วนจากตำบลบางศรีเมืองมาจัดตั้งเป็นตำบลบางไผ่ และรวมพื้นที่บางส่วนจากตำบลไทรม้าและบางกร่างมาจัดตั้งเป็นตำบลบางรักน้อย มีผลบังคับใช้ตั้งแต่วันที่ 1 มิถุนายน ปีเดียวกัน[13] อำเภอเมืองนนทบุรีจึงแบ่งออกเป็น 10 ตำบลจนถึงทุกวันนี้

เมื่อปี พ.ศ. 2535 ที่ว่าการอำเภอเมืองนนทบุรีได้ย้ายที่ตั้งอีกครั้งหนึ่งจากบริเวณโรงเรียนราชวิทยาลัยเดิม ไปอยู่ที่ศูนย์ราชการจังหวัดนนทบุรี ถนนรัตนาธิเบศร์ ใกล้สี่แยกแคราย หมู่ที่ 8 ตำบลบางกระสอ