ตามมติคณะรัฐมนตรี เมื่อวันที่ 7 ตุลาคม 2502 ให้กำหนดป่าน้ำหนาว จังหวัดเพชรบูรณ์ และป่าอื่นๆ ในท้องที่จังหวัดต่างๆ รวม 14 ป่า เป็นอุทยานแห่งชาติ ในปี พ.ศ. 2511 กรมป่าไม้ได้ส่งเจ้าหน้าที่ไปทำการสำรวจเบื้องต้นเกี่ยวกับสภาพพื้นที่บริเวณป่าน้ำหนาว ปรากฏว่า มีสภาพป่าอุดมสมบูรณ์ มีทิวทัศน์ธรรมชาติที่สวยงามหลายแห่ง ตลอดจนเป็นแหล่งที่อยู่อาศัยของสัตว์ป่านานาชนิด กรมป่าไม้จึงได้นำเสนอคณะกรรมการอุทยานแห่งชาติซึ่งได้มีมติในคราวประชุมครั้งที่ 1/2513 เมื่อวันที่ 12 มกราคม 2513 เห็นชอบให้ออกพระราชกฤษฎีกากำหนดให้เป็นอุทยานแห่งชาติ โดยได้มีประกาศของคณะปฏิวัติ ฉบับที่ 142 เมื่อวันที่ 3 พฤษภาคม 2515 กำหนดบริเวณป่าน้ำหนาวในท้องที่ตำบลบ้านโคก อำเภอเมืองเพชรบูรณ์ ตำบลบ้านกลาง ตำบลบ้านติ้ว ตำบลห้วยไร่ อำเภอหล่มสัก ตำบลน้ำหนาว อำเภอหล่มเก่า จังหวัดเพชรบูรณ์ และตำบลห้วยยาง อำเภอคอนสาร จังหวัดชัยภูมิ เป็นอุทยานแห่งชาติ เนื้อที่ประมาณ 603,750 ไร่ โดยประกาศในราชกิจจานุเบกษา เล่ม 89 ตอนที่ 71 ลงวันที่ 4 พฤษภาคม 2515 เป็นอุทยานแห่งชาติแห่งที่ 5 ของประเทศ 

ต่อมากองอุทยานแห่งชาติ กรมป่าไม้ ได้มีหนังสือที่ กส 0708/2214 ลงวันที่ 1 เมษายน 2523 ให้หัวหน้าอุทยานแห่งชาติทุกแห่งได้ตรวจสอบพิจารณาชื่อตำบลที่ตกหล่นในอุทยานแห่งชาติที่รับผิดชอบ ซึ่งอุทยานแห่งชาติน้ำหนาวได้มีหนังสือที่ กส 0708(นน)/223 ลงวันที่ 11 มีนาคม 2525 รายงานว่า ตามประกาศคณะปฏิวัติ ฉบับที่ 142 ลงวันที่ 3 พฤษภาคม 2515 ได้กำหนดแนวเขตอุทยานแห่งชาติ ซึ่งครอบคลุมถึงท้องที่ตำบลปากช่อง และตำบลท่าอิบุญ อำเภอหล่มสัก จังหวัดเพชรบูรณ์ด้วย แต่มิได้ระบุชื่อตำบลทั้ง 2 ไว้ 

กรมป่าไม้จึงได้เสนอคณะกรรมการอุทยานแห่งชาติได้มีมติในคราวประชุมครั้งที่ 3/2523 เมื่อวันที่ 21 ตุลาคม 2523 เห็นชอบให้ออกพระราชกฤษฎีกากำหนดขยายเขตอุทยานแห่งชาติเพิ่มเติมตำบลที่ตกหล่นได้ โดยได้มีพระราชกฤษฎีกาขยายเขตอุทยานแห่งชาติน้ำหนาวในท้องที่ตำบลท่าอิบุญ และตำบลปากช่อง อำเภอหล่มสัก จังหวัดเพชรบูรณ์ พ.ศ. 2525 ซึ่งได้ประกาศในราชกิจจานุเบกษา เล่ม 99 ตอนที่ 137 ลงวันที่ 26 กันยายน 2525