Houchen slog Labours Sue Jeffrey med drygt 2 000 röster efter andra preferensröster. Liberaldemokraten Chris Foote Wood var tredje och UKIP:s John Tennant slutade sist.
Houchen kommer att ha en budget på 15 miljoner pund per år.
I ett annat resultat behöll Labour kontrollen över Durham County Council trots att de förlorade 20 platser.
Partiet vann 94 platser i 2013 års val och det har nu fallit till 74 platser. Oberoende kandidater har näst flest platser (28) följt av liberaldemokrater (14) och konservativa (10).
Rådsledare Simon Henig sade att han var "mycket nöjd" med att ha behållit en majoritet i ett "utmanande" val.
Som borgmästare i Tees Valley kommer mr Houchen att leda Tees Valleys kombinerade myndighet, bestående av Darlington, Hartlepool, Redcar och Cleveland, Middlesbrough och Stockton Councils.
Efter uttalandet i Thornaby Pavilion sade Houchen: "Det vi har sett under de senaste åren är fantastiska trender gentemot de konservativa i hela Teesdalen och i dag är, tror jag, en drickspunkt.
"Vi har sett en politisk jordbävning som händer här för de konservativa över hela Nordöst.
"Det är första gången någon förväntar sig en konservativ borgmästare för Teesdalen och det är början på fem verkliga målplatser för de konservativa i det kommande allmänna valet, och jag tror verkligen att detta är en utgångspunkt för att göra Tees Valley blå."
Detta är en sensationell röst för de konservativa.
När vi slog Labour i den första omgången tänkte vi kanske att Labour kanske skulle ta tillbaka det med andra preferensomröstningar. De räknades då men faktiskt konservativa drog vidare framåt och Ben Houchen slog Sue Jeffrey Labour kandidaten i en avrunkning för att bli Tees Valley borgmästare.
Han måste nu uppfylla vissa löften, varav ett är att ta kontroll över Durham Tees Valley Airport och försöka återuppliva dess förmögenheter.
Han talade om att göra Tees Valley blå i det allmänna valet om drygt en månad och det kommer att vara den konservativa fokus nu.
Konservativ Ben Houchen har blivit borgmästare i Tees Valley efter att ha vunnit en hård tävling.