อุทยานแห่งชาติภูสอยดาว แต่เดิมเป็นวนอุทยานภูสอยดาวมีพื้นที่เพียง 20,000 ไร่ จนกระทั่งปีงบประมาณ พ.ศ. 2535 กรมป่าไม้ได้จัดสรรงบประมาณให้สำนักงานป่าไม้เขตพิษณุโลกทำการสำรวจพื้นที่ เพิ่มเติมเพื่อผนวกเข้ากับพื้นที่เดิมของวนอุทยานภูสอยดาว ผลการสำรวจพื้นที่เพิ่มเติมในเขตป่าสงวนแห่งชาติป่าน้ำปาด ท้องที่อำเภอน้ำปาด จังหวัดอุตรดิตถ์ และในเขตป่าไม้ถาวรตามป่าภูสอยดาวท้องที่อำเภอน้ำปาด จังหวัดอุตรดิตถ์ป่าภูสอยดาว ท้องที่อำเภอชาติตระการ จังหวัดพิษณุโลก ตามมติคณะรัฐมนตรีได้เนื้อที่รวม 48,962.5 ไร่ หรือ 78.34 ตารางกิโลเมตร