Khu công nghiệp Tràng Duệ được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt bổ sung vào quy hoạch các khu công nghiệp Việt Nam tại Quyết định số 1107/QĐ-TTg ngày 21/08/2006 với diện tích quy hoạch dự kiến ban đầu là 150 ha.Ngày 13/11/2007, Công ty cổ phần Khu công nghiệp Sài Gòn – Hải Phòng, gọi tắt là SHP (thuộc tập đoàn Kinh Bắc) được cấp Giấy chứng nhận đăng ký đầu tư phát triển Giai đoạn I Khu công nghiệp Tràng Duệ với diện tích 187 ha.
Ngày 01/02/2008, Khu công nghiệp Tràng Duệ được điều chỉnh tăng diện tích quy hoạch từ 150 ha lên thành 400 ha theo Công văn số 180/TTg-CN của Thủ tướng Chính Phủ. Sau đó, vào năm 2014, SHP tiếp tục được cấp Giấy Chứng nhận đầu tư cho dự án đầu tư xây dựng Giai đoạn 2 Khu công nghiệp Tràng Duệ với diện tích quy hoạch 214 ha. Như vậy tổng diện tích giai đoạn 1 và giai đoạn 2 mà SHB được cấp phép đầu tư là khoảng 401 ha.
Ban đầu, Khu công nghiệp Tràng Duệ có vị trí quy hoạch thuộc xã Hồng Phong, huyện An Dương, thành phố Hải Phòng, vốn nằm ngoài Khu Kinh tế Đình Vũ – Cát Hải. Tuy nhiên, để khuyến khích việc thu hút đầu tư vào khu công nghiệp Tràng Duệ, ngày 27/06/2013, tại Quyết định số 39/2013/QĐ-TTg, Thủ tướng Chính Phủ đã đồng ý mở rộng khu kinh tế Đình Vũ – Cát Hải, theo đó, tổng 400 ha diện tích đất của khu công nghiệp Tràng Duệ được đưa quy hoạch chung của Khu Kinh tế. Tuy nhiên, sau đó khu công nghiệp Tràng Duệ được điều chỉnh giảm diện tích từ 401,83 ha xuống còn 389,77 ha (giảm 12,06 ha), là phần diện tích để xây dựng khu nhà ở công nhân cho dự án thuộc tập đoàn LG (Công văn số 2229/TTg-KTN ngày 12/12/2016 của Thủ tướng Chính Phủ).
Dựa trên sự thành công của KCN Tràng Duệ giai đoạn 1 và giai đoạn 2, thành phố Hải Phòng đã đề nghị Thủ tướng Chính Phủ tiếp tục mở rộng KCN Tràng Duệ giai đoạn 3. Ngày 25/03/2021, Thủ tướng Chính phủ đã đồng ý bổ sung 687 ha đất thuộc 04 xã An Tiến, Trường Thọ, Trường Thành và Bát Trang, huyện An Lão vào ranh giới khu kinh tế Đình Vũ – Cát Hải để xây dựng khu công nghiệp Tràng Duệ giai đoạn 3. Hiện nay tập đoàn Kinh Bắc đang đề nghị được tiếp tục giao đầu tư xây dựng giai đoạn 3 của khu công nghiệp và đang được các cơ quan hữu quan xem xét phê duyệt. Nếu được thông qua, tổng diện tích 03 giai đoạn của KCN Tràng Duệ sẽ là 1.076,77 ha.