Ngày 1 tháng 7 năm 1956, Chủ tịch Hồ Chí Minh ký Sắc lệnh số 268-SL thành lập khu tự trị Việt Bắc. Tỉnh Thái Nguyên trong khu tự trị Việt Bắc gồm thị xã Thái Nguyên và các huyện Định Hóa, Phú Lương, Đại Từ, Đồng Hỷ và Võ Nhai. Huyện Phú Bình tách sang tỉnh Bắc Giang, huyện Phổ Yên về tỉnh Vĩnh Phúc.