Οι αρχαιολόγοι ομιλούν για πρώιμη ανθρώπινη εγκατάσταση στο νησί της Κέας στον όρμο του Αγίου Νικολάου, ενώ κατά τη νεολιθική εποχή εγκαταστάσεις έχουν εντοπιστεί στο ακρωτήριο Κεφάλα. Την εποχή του Χαλκού έχουμε τον οργανωμένο και οχυρωμένο οικισμό της Αγίας Ειρήνης. Η Κέα κατά τους ιστορικούς χρόνους θεωρείτο νησί ιωνικό και ήταν το μοναδικό στις Κυκλάδες το οποίο, σύμφωνα με τους αρχαίους γεωγράφους, είχε τέσσερις αυτόνομες και ανεξάρτητες πόλεις. Αυτές κατά τους αρχαϊκούς χρόνους (7ος- 6ος αιώνας π.Χ.) ήταν η Ιουλίς, η Καρθαία, η Κορρησία (ή Κορρησσός) και η Ποιήεσσα. Οι τέσσερις αυτές πόλεις, με σπουδαιότερη από όλες τη Καρθαία, όπως μαρτυρούν τα νομισματικά ευρήματα, βρίσκονταν σε μεγάλη οικονομική και ηθική ακμή. Ο Αριστοτέλης, μάλιστα, έγραψε ιδιαίτερο βιβλίο για την πολιτεία των Κείων, των κατοίκων του νησιού. Από εδώ κατάγονταν οι ποιητές Σιμωνίδης ο πρεσβύτερος και ο εγγονός του Σιμωνίδης ο Λεωπρέπου στα μέσα του 3ου αιώνα π.Χ. Επίσης, ο Σιμωνίδης ο νεότερος λίγο πριν από τον Πελοποννησιακό πόλεμο και ο Βακχυλίδης στα μέσα του 5ου αιώνα π.Χ. Με καταγωγή την Κέα αναφέρονται σοφιστές και φιλόσοφοι όπως ο Πυθοκλείδης, ο Θηραμένης, ο Αγνωνος και ο περιπατητικός φιλόσοφος Αρίστων. Από εδώ κατάγονταν οι αρχαίοι ιατροί Πανθείδης, Μηδίας και Ερισίστρατος.
Σύμφωνα με μια αρχαία παράδοση που έχει καταγραφεί από τον Στράβωνα, επικρατούσε στην Κέα το έθιμο οι γέροι πάνω από 60 χρονών να αυτοκτονούν με κώνειο. Το «Κείον νόμιμον», όπως ήταν γνωστό, λεγόταν ότι καθιερώθηκε κατά την πολιορκία του νησιού από τους Αθηναίους. Τότε οι πολίτες εψήφισαν να πεθάνουν εκούσια οι γεροντότεροι, έτσι ώστε να επαρκέσουν τα λιγοστά τρόφιμα των πολιορκημένων. Η παράταση της πολιορκίας είχε ως αποτέλεσμα να εξαναγκασθούν οι Αθηναίοι να λύσουν το ναυτικό αποκλεισμό του νησιού.
Οι Κείοι συμμετείχαν με δύο τριήρεις και δυο πεντηκόντορους στη ναυμαχία του Αρτεμισίου το 480 π.Χ., και σύμφωνα με επίγραμμα ενός αγάλματος στην αρχαία Ολυμπία, πήραν μέρος στη ναυμαχία της Σαλαμίνας. Την εποχή εκείνη μνημονεύεται η οικονομική άνθιση του νησιού με την εκμετάλλευση των μεταλλείων σιδήρου και μιας ορυκτής ουσίας που ονομαζόταν μίλτος και ήταν περιζήτητη στην Αθήνα για φάρμακο και για χρώμα γραφής και βαφής. Σπουδαία ήταν επίσης η χρήση της στη μακροχρόνια συντήρηση των αθηναϊκών πλοίων.
Στον Πελοποννησιακό πόλεμο οι Κείοι πολέμησαν μαζί με τους Αθηναίους και το 413 π.Χ. έλαβαν μέρος στη Σικελική εκστρατεία. Η Τετράπολις της Κέας το 377-376 π.Χ. προσχώρησε στη Β΄Αθηναϊκή Συμμαχία και το 338 π.Χ. πολέμησε στη μάχη της Χαιρώνειας στο πλευρό των Αθηναίων εναντίον των Μακεδόνων. Κατά τους Ελληνιστικούς χρόνους αποτέλεσε τμήμα του Κοινού των Νησιωτών και έγινε αντικείμενο έριδας μεταξύ των διαδόχων του Μεγάλου Αλεξάνδρου, με αποτέλεσμα οι τέσσερεις πόλεις του νησιού να πάψουν να είναι αυτόνομες. Στους ρωμαϊκούς χρόνους την Κέα επισκέφθηκε ο Πομπήϊος όταν ταξίδευε για την Ασία, καθώς και ο Κικέρωνας καθοδόν προς τη Κιλικία. Μετά την δολοφονία του Καίσαρα, ο Αντώνιος το 42 π.Χ χάρισε την Κέα στους Αθηναίους. Η εξάρτηση από την Αθήνα εξακολούθησε και στα χρόνια του Ανδριανού, ενώ το 212 μ.Χ το νησί με διάταγμα του Καρακάλλα επανήλθε στους Ρωμαίους.
Το 770 αναφέρεται ως τόπος συνάντησης του πάπα Κωνσταντίνου και του πατρίκιου Θεοφίλου. Μετά την κατάληψη της Αθήνας από τους Φράγκους, το 1204, στο νησί διέμεινε για 15 χρόνια ο Μητροπολίτης Αθηνών Μιχαήλ Ακομινάτος. Την εποχή της Φραγκοκρατίας το κατείχαν ως τιμάριο αλληλοδιαδόχως οι οίκοι των Γκίζι, Ιουστινιάνι, Δακορώνια, Μικέλι, Πρεμαρίνι και Γκοτζαντίνι. Την εποχή εκείνη το νησί ήταν γνωστό ως Τζιά, αφού στους βενετσιάνικους χάρτες γράφεται Cea και Zea. Επί αυτοκράτορα Μιχαήλ Η’ του Παλαιολόγου ανακαταλήφθηκε από τον βυζαντινό ναύαρχο Λικάριο. Το 1298, ύστερα από τον πόλεμο μεταξύ Βυζαντινών και Βενετών, περιήλθε πάλι στις οικογένειες των Βενετών. Την εποχή εκείνη η Κέα ήταν το ασφαλές κρησφύγετο των πειρατών και οι κάτοικοι τους βοηθούσαν. Εξαιτίας αυτού του λόγου οι Τούρκοι το αποκαλούσαν Mourdett adhase, δηλαδή νησί των αρνησιθρήσκων.
Το 1537 το κατέλαβε ο στόλος του Χαϊρεντίν Μπαρμπαρόσα και πολλοί κάτοικοι οδηγήθηκαν στα σκλαβοπάζαρα. Το 1566 ο Πιαλή πασάς κατέλαβε την Κέα που έγινε μέρος του Δουκάτου του Αιγαίου υπό τη φορολογική δικαιοδοσία του Εβραίου τραπεζίτη Ιωσήφ Νάζη. Την εποχή εκείνη χρονολογείται και ο εποικισμός της Κέας από Αρβανίτες, οι οποίοι γρήγορα συγχωνεύτηκαν με τους ντόπιους. Κατά τον τουρκοβενετικό πόλεμο, το 1665, υπέφερε πολλά, αφού οι κάτοικοι ήταν αναγκασμένοι να πληρώνουν χαράτσι στους Τούρκους και φόρο υποτέλειας στους Βενετούς.
Η κυριαρχία από τους Τούρκους διακόπηκε το 1170-1774. Το λιμάνι του νησιού είχε το 1789 ως ορμητήριό του, ο θρυλικός Λάμπρος Κατσώνης. Στο Λαιμό της Κόκκας, στην είσοδο του λιμανιού, ο ηρωικός θαλασσομάχος κατάφερε να γλιτώσει τα πλοία του στόλου του περνώντας από μια στενή λουρίδα γης στο ανοιχτό πέλαγος.