พื้นที่แขวงนี้เดิมเป็นส่วนหนึ่งของแขวงหัวของ ต่อมาแขวงหัวของถูกยุบลงและแยกออกเป็น 2 แขวง บริเวณศูนย์กลางของแขวงหัวของเดิมได้เปลี่ยนชื่อเป็นแขวงบ่อแก้ว ส่วนพื้นที่ทางเหนือของแขวงหัวของเดิมกลายเป็นแขวงใหม่คือแขวงหลวงน้ำทาในปัจจุบัน

ประชากรส่วนใหญ่ของแขวงหลวงน้ำทาเป็นชาวไทลื้อ เดิมเป็นส่วนหนึ่งของอาณาจักรเชียงแขง (เชียงลาบ) ซึ่งเป็นอาณาจักรของชาวไทลื้อ มีพื้นที่ครอบคลุมสองฝั่งของแม่น้ำโขง คือบริเวณเมืองยอง รัฐฉาน ประเทศพม่า กับเมืองสิงห์ แขวงหลวงน้ำทาของลาวในปัจจุบัน เมื่อฝรั่งเศสขยายอิทธิพลเข้ามาบริเวณนี้ จึงได้ตกลงกับอังกฤษแบ่งเมืองเชียงแขงออกเป็นสองส่วน ฝั่งขวาแม่น้ำโขงเป็นของอังกฤษ ส่วนฝั่งซ้ายแม่น้ำโขงเป็นของฝรั่งเศสและตกเป็นของประเทศลาวในเวลาต่อมา

ระหว่างปี พ.ศ. 2498–2518 พื้นที่แถบนี้เคยเป็นสมรภูมิรบระหว่างขบวนการปะเทดลาวและกลุ่มกองโจรของพวกชาวเขา ส่วนใหญ่เป็นชาวม้งที่ได้รับการหนุนหลังจากสำนักข่าวกรองกลางของสหรัฐอเมริกา ส่งผลให้ตัวเมืองถูกทำลายจนไม่สามารถซ่อมแซมได้ ต้องย้ายไปสร้างเมืองใหม่ที่ริมฝั่งแม่น้ำทา ห่างจากที่ตั้งเดิมไปทางเหนือ 7 กิโลเมตร ใกล้กับทางหลวงที่ใช้ไปยังเมืองสิงห์ อุดมไซ และบ่อเต็น