Τα ευρήματα της αρχαιολογικής σκαπάνης πιστοποιούν ότι η αρχαιότερη ανθρώπινη εγκατάσταση στη Δήλο εντοπίζεται στην ακρόπολη τoυ Κύθνου, όπου βρέθηκε πρώιμος κυκλαδικός οχυρωμένος οικισμός της 3ης χιλιετίας π.Χ. Ακόμα, στην περιοχή του ιερού φαίνεται ότι αναπτύχθηκε τον 13ο – 14ο αιώνα π.Χ. ένας οικισμός Μινωιτών, σύμφωνα με τις πλάκες από ελεφαντόδοντο που ανακαλύφθηκαν εκεί. Με την εδραίωση της κυριαρχίας των Μυκηναίων στο Αιγαίο συνδέεται η άφιξή τους στο νησί γύρω στα τέλη της 15ης χιλιετίας π.Χ. Την εποχή εκείνη αντανακλά ο μύθος του Μυκηναίου βασιλιά της Δήλου Άνιου που θεωρούνταν γιος του Απόλλωνα και δισέγγονος του Διονύσου. Οι διηγήσεις για τη φιλοξενία του Αγχίση από την Τροία που διασώθηκε από τον γιο του Αινεία, αλλά και ο κατάπλους στο νησί του στόλου των Αχαιών, μαρτυρούν τις προσπάθειες του μυθικού βασιλιά να κρατήσει ουδέτερο το νησί ανάμεσα στις συγκρούσεις της εποχής.
Όσον αφορά την αρχική ίδρυση και οργάνωση της λατρείας του Απόλλωνα στη Δήλο που είχε καθιερωθεί από τον 9ο π.Χ αιώνα, οι αρχαίοι έλεγαν ότι ο Ωλήν, ένα πρόσωπο μυστηριώδες και προφητικό, κατέβηκε από την Λυκία ή από τη μυθική χώρα των Υπερβορείων και συνέθεσε τους ύμνους. Όλα αυτά υποκρύπτουν την μεταφορά της λατρείας του Απόλλωνα από τη ιωνική Μικρά Ασία. Το ιερό της Αρτέμιδος και του Απόλλωνα των αρχαϊκών χρόνων περιελάμβανε ένα σύμπλεγμα από ναούς, κτίρια και αγάλματα, μεταξύ των οποίων υπήρχε ένας βωμός προς τιμήν της Λητούς. Ακόμα σε αρκετή απόσταση, στους πρόποδες του Κύθνου δέσποζε ο ναός της Ήρας, της άλλης πρωταγωνίστριας του μύθου.
Με την υποδούλωση τον 6ο αιώνα π.Χ. των ιωνικών πόλεων της Μικράς Ασίας συνδέεται η παρακμή της Δήλου. Η αφιέρωση του γειτονικού νησιού της Ρήνειας στον Απόλλωνα από τον τύραννο της Σάμου Πολυκράτη (530 π.Χ.) θεωρείται το τελευταίο δείγμα προσφοράς των Ιώνων στον θεό του φωτός. Τα πρωτεία τότε στην ηπειρωτική Ελλάδα και στα περισσότερα νησιά ανέλαβε η Αθήνα, που έγινε η νέα μητρόπολις των Ιώνων. Από πολύ νωρίς οι Αθηναίοι συνδέθηκαν με το νησί αφού σύμφωνα με τον τοπικό μύθο, η Λητώ καθ’ οδόν προς τη Δήλο έλυσε τη ζώνη της στο ακρωτήριο της Αττικής Ζωστήρα, στον σημερινό Λαιμό της Βουλιαγμένης. Οι Αθηναίοι περήφανα ισχυρίζονταν ότι ο Ερυσίχθονας ανήγειρε το ιερό του Απόλλωνα και έφερε στην Αθήνα το ξόανο της Ειλείθυιας, ενώ κατά την εποχή του τυράνου Πεισίστρατου (540-528 π.Χ.), έγινε η «κάθαρση» της Δήλου από τους τάφους που βρίσκονταν γύρω από το ιερό. Η λατρεία του φωτός στο νησί ήταν ασυμβίβαστη με την ύπαρξη των νεκρών που παρέπεμπαν στο έρεβος του θανάτου.
Κάθε χρόνο κατά την αρχαιότητα στη Δήλο συνέρρεε πλήθος προσκυνητών, ενώ αργότερα αυτό γινόταν κάθε τέταρτο έτος στις 7 του Θαργηλιώνος (Μαΐου), ανήμερα των γενεθλίων του Απόλλωνα και της Άρτεμης. Μέσα από τους ομηρικούς ύμνους στον Δήλιο Απόλλωνα (700 π.Χ.) μπορούμε να αναπαραστήσουμε τη μεγαλοπρέπεια των γιορτών που τελούνταν στο νησί. Κατέπλεαν σε ιερή πομπή πολυάριθμα πλοία, οι περίφημες «Θεωρίες», που μετέφεραν τους γειτονικούς Ίωνες νησιώτες με γιορτινές ενδυμασίες για να συμμετάσχουν σε θυσίες και ωδικούς, ορχηστικούς και παλαιστικούς αγώνες. Οι «Δηλιάδες παρθένες» που ήταν οι θεραπαινίδες του Απόλλωνα, τραγουδούσαν προς τιμήν του θεού, της Αρτέμιδος και της Λητούς και προκαλούσα χαρά και θρησκευτική συγκίνηση στους φιλέορτους και εύθυμους Ίωνες. Την διάθεση αυτή των πανηγυριστών στο νησί αποτυπώνει η αρχαία παροιμία που έλεγε ότι «τραγουδάς όπως εκείνος που ταξιδεύει για τη Δήλο» και απευθυνόταν σε εκείνους που περνούσαν την ζωή τους γλεντοκοπώντας.
Χάρις στην αντίληψη που επικρατούσε τη κλασική εποχή ότι η Δήλος και οι κάτοικοί της ήταν ιεροί, το νησί παρέμεινε άθικτο κατά τους περσικούς πολέμους από την εκστρατεία του Δάτιδος και του Αρταφέρνη το 490 π.Χ. Με την ίδρυση το 478 π.Χ. της Αθηναϊκής Συμμαχίας που έμεινε γνωστή και ως Δηλιακή, το νησί έγινε η έδρα τόσο της συμμαχίας όσο και του κοινού ταμείου στο οποίο φυλάσσονταν τα χρήματα των σύμμαχων ελληνικών πόλεων. Οι «ελληνοταμείες» ήταν οι υπεύθυνοι θησαυροφύλακες των χρημάτων που χρησίμευαν για τον δανεισμό των πόλεων. Το ταμείο το 454 π.Χ. μεταφέρθηκε στην Ακρόπολη της Αθήνας, ενώ στη Δήλο η διοίκηση του ιερού ασκείτο από Αθηναίους αμφικτύονες.
Εξαιτίας μιας θανατηφόρου επιδημίας πανώλης κατά τα πρώτα χρόνια του αιματηρού Πελοποννησιακού πολέμου, το 427-6 π.Χ. οι Αθηναίοι προχώρησαν σε μια νέα «κάθαρση» του νησιού. Η απελπισία του θανατικού τους οδήγησε να αποδώσουν την ασθένεια στην οργή του Απόλλωνα. Έτσι, σύμφωνα με τον Θουκυδίδη, «χωρίς κανένα φόβο απέναντι στους θεούς και στους νόμους των ανθρώπων» ξέχωσαν όλους τους τάφους και τους μετέφεραν μαζί με τα κτερίσματά τους στη γειτονική Ρήνεια. Υπακούοντας στο χρησμό, από τότε απαγορεύτηκε κανένας άνθρωπος να μη γεννιέται ή να πεθαίνει στη Δήλο. Οι ετοιμόγεννες γυναίκες και οι βαριά άρρωστοι υποχρεωτικά μετακόμιζαν στη Ρήνεια. Οι κάτοικοι της Δήλου ζήτησαν την προστασία των Σπαρτιατών αφού δεν μπορούσαν πια να ζήσουν ανενόχλητοι στη πατρίδα τους. Οι Αθηναίοι με το πρόσχημα της ασέβειας προς τον Απόλλωνα, το 422 π.Χ. τους εξόρισαν στο Αδραμύττιο της Μικράς Ασίας. Επέστρεψαν, όμως, αργότερα στη γενέτειρά τους όταν το Απολλώνιο μαντείο των Δελφών χρησμοδότησε ότι οι Δήλιοι δεν επιτρεπόταν να μείνουν πολύ καιρό μακριά από το νησί τους.
Κάτω από την επιρροή της Αθήνας το 425 π.Χ. συστάθηκε η «Πεντετηρίδα», μια άλλη γιορτή προς τιμή του Απόλλωνα. Τα εγκαίνια ενός νέου ναού από πεντελικό μάρμαρο συνδέθηκαν με το ιερό προσκύνημα κάθε πέντε χρόνια στο νησί. Οι μεγαλόπρεπες γιορτές του έδωσαν πάλι ζωντάνια, ενώ τα «Δήλια» του 417 π. Χ., με αρχιθεωρό τον Νικία, έμειναν στην ιστορία. Όσο δε η «Θεωρίς», το ιερό πλοίο έπλεε προς τη Δήλο, δεν γίνονταν θανατικές εκτελέσεις στην Αθήνα. Η Σπάρτη το 403 π.Χ. απέσπασε τη Δήλο από τους Αθηναίους, αλλά μετά τη ναυμαχία της Κνίδου το 394 π.Χ. η κυριαρχία της Αθήνας πάνω στο νησί αποκαταστάθηκε.
Την εποχή των διαδόχων του Μεγάλου Αλεξάνδρου, το Αιγαίο για 40 χρόνια υπέφερε εν μέσω πολεμικών συγκρούσεων. Το 314 π.Χ., την εποχή του Αντίγονου Α’ του Μονόφθαλμου και του γιου του Δημήτριου του Πολιορκητή, δημιουργήθηκε το «Κοινό των Νησιωτών». Η Δήλος έγινε το θρησκευτικό κέντρο και απόκτησε την ανεξαρτησία της για περίπου 198 χρόνια (314-166 π.Χ.). Τα χρόνια εκείνα άρχισε μια αναβίωση της λατρείας του Απόλλωνα στο νησί, ενώ η οικοδομική δραστηριότητα ανανεώθηκε με την ολοκλήρωση του ναού των Δηλίων και την ανέγερση ενός νέου ναού προς τιμή της Αρτέμιδος. Το λιμάνι του νησιού απέκτησε εμπορική κίνηση αφού γεωγραφικά βρίσκεται στο κέντρο του Αιγαίου.
Το 166 π.Χ. οι Αθηναίοι έποικοι επανέκαμψαν στη Δήλο με παρέμβαση των Ρωμαίων και έδιωξαν τους κατοίκους. Ύστερα δε από απόφαση της ρωμαϊκής συγκλήτου το 167 π.Χ., το λιμάνι της Δήλου απέκτησε φορολογική ατέλεια και έγινε το σημαντικότερο εμπορικό κέντρο διακίνησης αγαθών ανάμεσα στα τέσσερα σημεία του ορίζοντα του τότε αρχαίου κόσμου. Το νησί επωφελήθηκε της καταστροφής της Κορίνθου το 146 π.Χ. και της οικονομικής κατάρρευσης της Ρόδου, με αποτέλεσμα την κατακόρυφη αύξηση του πληθυσμού του και τη συγκέντρωση μεγάλου πλούτου που είχε ως συνέπεια μια ασυγκράτητη και άναρχη οικοδομική δραστηριότητα. Οι ισχυροί της εποχής εποφθαλμιούσαν τα πλούτη της Δήλου και το 88 π.Χ. λεηλατήθηκε από τον Μιθριδάτη που κατάσφαξε σύμφωνα με τις πηγές 20.000 (!) Δήλιους, ενώ τα χρήματα του ταμείου αρπάχτηκαν από τον Αριστείωνα. Την ίδια μοίρα είχε και το 69 π.Χ. όταν ερημώθηκε από τους πειρατές του Αθηνόδωρου.
Κατά τους δυο πρώτους αιώνες μ.Χ. τη Δήλο εγκαταστάθηκαν πολλοί έμποροι από όλη τη Μεσόγειο, εισάγοντας ξένες λατρείας παράλληλα με την ελληνική. Αυτό μαρτυρούν η ύπαρξη τριών ιερών των αιγυπτιακών θεών Σέραπι και Ίσιδας, ιερών αφιερωμένων σε συριακές θεότητες, η παρουσία της θρησκευτικής αδελφότητας των Ποσειδωνιατών της Βηρυτού, αλλά και η ανέγερση μιας συναγωγής που θεωρείται η αρχαιότερη της εβραϊκής Διασποράς. Οι διώροφες πολυτελείς κατοικίες εκείνης της εποχής με τα περιστύλια που ήταν διακοσμημένες με τοιχογραφίες και εξαιρετικά μωσαϊκά δάπεδα, βρέθηκαν στη περιοχή του θεάτρου που χρονολογείται γύρω στο 250 π.Χ. Όλα αυτά μαρτυρούν την καλλιτεχνική ανάπτυξη στο νησί την εποχή των ελληνιστικών χρόνων.
Η Δήλος τον 4ο αιώνα μ.Χ. συναριθμείται στις ορθόδοξες επισκοπές. Στην νοτιοανατολική πλευρά της αγοράς ανασκάφτηκε μια μονόκλιτη βασιλική των μέσων του 6ου αιώνα που ήταν αφιερωμένη στον Άγιο Κήρυκο. Επίσης μια μονόκλιτη βασιλική του 7ου αιώνα κτίστηκε κοντά στο Ασκληπιείο. Από τον 7ο αιώνα το νησί εγκαταλείφθηκε από τους κατοίκους του και για πολλούς αιώνες έγινε το άντρο ποικιλώνυμων πειρατών που λυμαίνονταν τις ελληνικές θάλασσες και τα γειτονικά νησιά. Το όνομά της ξεχάστηκε, ή παραποιήθηκε, και η ξακουσμένη Δήλος έγινε ξανά «άδηλος».
Από τα τέλη του 18ου αιώνα μέχρι σήμερα η Δήλος είναι χώρος συνεχών αρχαιολογικών ανασκαφών από Ελληνες και ξένους αρχαιολόγους που ανέδειξαν τον μεγάλο πλούτο και την ποικιλία των μνημείων της ιερής πόλης. Αποτελεί έναν από τους μεγαλύτερος αρχαιολογικούς χώρους παγκοσμίως και προσελκύει πλήθος επισκεπτών που απολαμβάνουν μια απτή επιτομή του αρχαίου πολιτισμού κάτω από το λαμπερό και διαυγές ελληνικό φως.