Xã Đông Vinh có diện tích tự nhiên 4,36 km², quy mô dân số năm 2022 là 4.216 người,[1] mật độ dân số đạt 967 người/km². Dân cư sinh sống tại Đông Vinh chủ yếu là người Kinh.[5]
Thời Nhà Nguyễn, xã Đông Vinh thuộc tổng Quang Chiếu, huyện Đông Sơn, phủ Thiệu Hóa, gồm các làng: Đa Sĩ (xã Trường Hựu), Văn Khê, Tam Thọ, Khê Mật. Tên gọi xã Đông Vinh có từ năm 1953.[6]
Ngày 5 tháng 7 năm 1977, nhập 16 xã hữu ngạn sông Chu thuộc huyện Thiệu Hóa với huyện Đông Sơn thành huyện Đông Thiệu, xã Đông Vinh thuộc huyện Đông Thiệu.[7] Đến ngày 30 tháng 8 năm 1982, xã trở lại thuộc huyện Đông Sơn do huyện Đông Thiệu đổi tên thành.[8]
Ngày 29 tháng 2 năm 2012, Thủ tướng Chính phủ ra Nghị quyết 05/NQ-CP về việc điều chỉnh địa giới để mở rộng thành phố Thanh Hóa. Theo đó, xã Đông Vinh được chuyển từ huyện Đông Sơn về thành phố Thanh Hóa.[9]
Ngày 11 tháng 7 năm 2018, Hội đồng nhân dân tỉnh Thanh Hóa khóa XVII thông qua Nghị quyết về việc sắp xếp thôn, tổ dân phố trên địa bàn tỉnh;[10] trong đó có việc nhập thôn Đồng Sâm vào thôn Đa Sỹ. Sau sắp xếp, xã Đông Vinh còn 5 thôn.