เดิมเป็นเขตการปกครองของตำบลสามขาและตำบลโพนทรายซึ่งขึ้นอยู่กับอำเภอสุวรรณภูมิ แต่เนื่องจากสภาพพื้นที่อยู่ห่างไกลจากอำเภอสุวรรณภูมิ การคมนาคมไม่สะดวก การไปมาหาสู่กันระหว่างอำเภอกับตำบลลำบากและเป็นปัญหามาก เนื่องจากดินส่วนใหญ่เป็นดินทราย ทำให้ประชาชนได้รับความเดือดร้อนในการสัญจรไปมา จึงได้ขอแยกตำบลสามขาตั้งเป็นตำบลศรีสว่าง และแยกพื้นที่ตำบลโพนทรายตั้งเป็นตำบลยางคำเพิ่มขึ้นอีก

ต่อมาในปี พ.ศ. 2512-2518 กลุ่มผู้นำท้องถิ่น นำโดยกำนันสุนีย์ พวงจันทร์และสภาตำบลโพนทรายเห็นว่าการไปติดต่อราชการที่อำเภอสุวรรณภูมิไม่สะดวกเป็นอย่างมาก จึงได้มีการเคลี่อนไหวเรียกร้องขอยกฐานะเป็นอำเภอเพื่อแก้ไขปัญหาความเดือดร้อนของราษฎร จนกระทั่งใน ปี พ.ศ. 2519 จึงได้มีการประกาศพระราชกฤษฎีกาจัดตั้งเป็น กิ่งอำเภอโพนทราย ต่อมาใน ปี พ.ศ. 2532 ได้มีพระราชกฤษฎีกายกฐานะเป็น อำเภอโพนทราย เมื่อวันที่ 26 พฤษภาคม พ.ศ. 2532 โดยมีนายสุภาพ จันทร์ภิรมย์ เป็นสมาชิกสภาจังหวัด (สจ.) คนแรก จากอำเภอโพนทราย ในปี พ.ศ. 2533