เดิมอำเภอดังกล่าวเป็นเมืองเอกของจังหวัดศุโขไทย (สะกดตามราชกิจจานุเบกษาปี พ.ศ. 2460)[1] เดิมชื่อว่า อำเภอเมือง ซึ่งในปี พ.ศ. 2460 อำเภอนี้ถูกเปลี่ยนชื่อเป็น อำเภอธานี[1] จนเมื่อวันที่ 1 เมษายน พ.ศ. 2475 ได้ยุบอำเภอธานีและเปลี่ยนชื่อเป็น อำเภอสุโขทัยธานี ขึ้นต่อจังหวัดสวรรคโลก[2][3]

ภายหลังในปี พ.ศ. 2482 ได้มีการจัดตั้งจังหวัดสุโขทัยขึ้น จึงได้ยกอำเภอสุโขทัยธานีเป็นศูนย์กลางของจังหวัด และได้เปลี่ยนชื่อเป็น อำเภอเมืองสุโขทัย[4]