พื้นที่บริเวณที่พบไม้กลายเป็นหินตั้งอยู่ในเขตป่าสงวนแห่งชาติป่าแม่สลิด – โป่งแดง ท้องที่หมู่ 7 ตำบลตากออก อำเภอบ้านตาก จังหวัดตาก ห่างจากที่ว่าการอำเภอบ้านตาก 4 กิโลเมตร สภาพพื้นที่ป่าส่วนใหญ่เป็นป่าเต็งรัง มีต้นไม้ขนาดกลางและขนาดเล็กกระจัดกระจายทั่วไป การริเริ่มสำรวจไม้กลายเป็นหิน เป็นไปโดยบัญชาของ ดร.ปลอดประสพ สุรัสวดี ปลัดกระทรวงทรัพยากรธรรมชาติและสิ่งแวดล้อม นายสมชัย เพียรสถาพร อธิบดีกรมอุทยานแห่งชาติ สัตว์ป่า และพันธุ์พืช ในขณะนั้น ได้สั่งให้นายวชิระ ม่วงแก้ว ผู้อำนวยการสำนักบริหารจัดการในพื้นที่ป่าอนุรักษ์ 12 (ป่าไม้เขตตากเดิม) เข้าดำเนินการสำรวจศักยภาพเพื่อประกาศเป็นวนอุทยานซากดึกดำบรรพ์ไม้กลายเป็นหิน เพื่อเป็นแหล่งท่องเที่ยวเชิงอนุรักษ์ของจังหวัดตากเมื่อประมาณเดือนตุลาคม พ.ศ. 2546 ต่อมาในเดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2546 สำนักบริหารจัดการในพื้นที่ป่าอนุรักษ์ 12 ได้มอบให้นายศักดา แก้วมรกต และนายจิตติ เสรีวัฒนะ หัวหน้าหน่วยป้องกันและรักษาป่าที่ ตก. 11 (แม่สลิด) เข้าดำเนินการสำรวจในเบื้องต้น และในวันที่ 28 พฤศจิกายน พ.ศ. 2546 สำนักบริหารจัดการในพื้นที่ป่าอนุรักษ์ 12 ได้รายงานผลการสำรวจเบื้องต้นโดยได้นำเรียน นายสวัสดิ์ ศรีสุวรรณดี ผู้ว่าราชการจังหวัดตากในขณะนั้นเพื่อรับทราบ และได้ประกาศเป็น “วนอุทยานเขาพระบาท” ตามคำสั่งของกรมอุทยานแห่งชาติ สัตว์ป่า และพันธุ์พืช ที่ 2517/2546 ลงวันที่ 29 ธันวาคม พ.ศ. 2546 ต่อมาเปลี่ยนชื่อจากวนอุทยานเขาพระบาท มาเป็น “วนอุทยานไม้กลายเป็นหิน” ตามประกาศของกรมอุทยานแห่งชาติ สัตว์ป่า และพันธุ์พืช ลงวันที่ 18 มกราคม 2549

วันที่ 28 พฤษภาคม พ.ศ. 2556 ได้มีการจัดประชุมติดตามแนวทางการแก้ไขปัญหาการขอความร่วมมือด้านการอนุรักษ์ไม้กลายเป็นหินในพื้นที่วนอุทยานไม้กลายเป็นหิน โดยนายธนโรจน์ โพธิสาโร ผู้อำนวยการสำนักบริหารพื้นที่อนุรักษ์ที่ 14 (ตาก) ในขณะนั้นเป็นประธาน ที่ประชุมได้มีมติให้วนอุทยานไม้กลายเป็นหินจัดทำโครงการพัฒนาวนอุทยานไม้กลายเป็นหินสู่อุทยานแห่งชาติไม้กลายเป็นหิน โดยร่วมกับวนอุทยานน้ำตกห้วยแม่ไข ซึ่งตั้งอยู่ในเขตป่าสงวนแห่งชาติป่าแม่ท้อ – ห้วยตากฝั่งขวา ในท้องที่ตำบลทุ่งกระเชาะ อำเภอบ้านตาก จังหวัดตาก และวนอุทยานแก่งห้วยตาก ตั้งอยู่ในเขตป่าสงวนแห่งชาติ

ป่าแม่ตื่น และป่าสงวนแห่งชาติป่าแม่ท้อ – ห้วยตากฝั่งขวา ในท้องที่ตำบลท้องฟ้า อำเภอบ้านตาก จังหวัดตาก ที่จัดตั้งเป็นวนอุทยานตามคำสั่งกรมอุทยานแห่งชาติ สัตว์ป่า และพันธุ์พืช ที่ 1509/2549 ลงวันที่ 29 กันยายน พ.ศ. 2549

วันที่ 5 สิงหาคม พ.ศ. 2556 สำนักบริหารพื้นที่อนุรักษ์ที่ 14 (ตาก) ได้ดำเนินการสำรวจรวบรวมข้อมูลเบื้องต้นของวนอุทยานทั้ง 3 แห่ง รายงานต่อกรมอุทยานแห่งชาติ สัตว์ป่า และพันธุ์พืช เพื่อพิจารณาจัดตั้งเป็นอุทยานแห่งชาติไม้กลายเป็นหิน ต่อมาจึงได้มีคำสั่งกรมอุทยานแห่งชาติ สัตว์ป่า และพันธุ์พืช ที่ 3051/2558 ลงวันที่ 26 พฤศจิกายน พ.ศ. 2558 ให้ข้าราชการไปปฏิบัติงานสำรวจพื้นที่เพื่อขอประกาศจัดตั้งอุทยานแห่งชาติไม้กลายเป็นหิน และในวันที่ 14 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2560 คณะกรรมการอุทยานแห่งชาติจึงได้มีมติเห็นชอบให้ประกาศเป็นอุทยานแห่งชาติไม้กลายเป็นหิน จังหวัดตาก จากนั้นจึงมีประกาศกรมอุทยานแห่งชาติ สัตว์ป่า และพันธุ์พืช ลงวันที่ 22 พฤษภาคม พ.ศ. 2561 เรื่องเปลี่ยนชื่ออุทยานแห่งชาติ โดยให้เปลี่ยนชื่อ “อุทยานแห่งชาติไม้กลายเป็นหิน (เตรียมการ)” เป็น “อุทยานแห่งชาติดอยสอยมาลัย (เตรียมการ)” ต่อมาคณะกรรมการที่ปรึกษาอุทยานแห่งชาติได้มีมติที่ประชุมให้เปลี่ยนชื่อ “อุทยานแห่งชาติดอยสอยมาลัย (เตรียมการ)” เป็น “อุทยานแห่งชาติดอยสอยมาลัย – ไม้กลายเป็นหิน (เตรียมการ)” เมื่อวันที่ 2 ธันวาคม 2563