Η αρχαιολογική σκαπάνη τεκμηρίωσε την ανθρώπινη εγκατάσταση στο νησί της Μήλου από την Μεσολιθική περίοδο (β’ μισό της 8ης χιλιετίας π.Χ). Κατά τη Νεολιθική εποχή υπήρξε εξόρυξη και εξαγωγή του περίφημου οψιανού της Μήλου. Πρόκειται για ένα σκληρό ηφαιστειογενές πέτρωμα με κοφτερές ακμές, που χρησιμοποιήθηκε στη νεολιθική εποχή για την κατασκευή εργαλείων και όπλων.
Την πρώιμη εποχή του Χαλκού (3300-2000 π.Χ) χρονολογούνται ευρήματα στον Χάλακα, στο Πηλό και στη Φυλακωπή. Η τελευταία θεωρείται από τους αρχαιολόγους ένας από τους σημαντικότερους οικισμούς του προϊστορικού Αιγαίου. Φαίνεται πως άρχισε να οργανώνεται γύρω στο 2.200 π.Χ, αργότερα απέκτησε τείχη, κτίστηκε κατά οικοδομικά τετράγωνα με δρόμους και αποχετευτικό δίκτυο. Φαίνεται πως ανοικοδομήθηκε ξανά περί το 1550 π.Χ για να καταστραφεί το 1400 π.Χ και να εγκαταλειφθεί οριστικά γύρα στα 1100 π.Χ. Οι αρχαιολόγοι διακρίνουν έντονες μινωικές επιδράσεις στη τρίτη οικιστική περίοδο, ενώ στη τέταρτη κυριαρχούν οι μυκηναϊκές.
Οι κάτοικοι της Μήλου αντέταξαν αντίσταση στους Πέρσες με την συμμετοχή τους στην ναυμαχία της Σαλαμίνας (480 π.Χ). Ο Πελοποννησιακός πόλεμος, όμως, προκάλεσε την ολοκληρωτική καταστροφή της Μήλου η οποία, παρότι κράτησε ουδέτερη στάση, ήταν ευνοϊκά διακείμενη προς τους Σπαρτίατες, λόγω δωρικής καταγωγής. Οι Αθηναίοι ήθελαν να εξαναγκάσουν τους κατοίκους να συνταχθούν με το μέρος τους. Υστερα από μια πρώτη αποτυχημένη απόπειρα, ο αθηναϊκός στόλος το 416 π.Χ με 30 πλοία και 3020 άνδρες πολιόρκησε το νησί. Ο Θουκυδίδης διέσωσε την περήφανη απάντηση των Μηλίων στις εκκλήσεις των Αθηναίων για διαπραγμάτευση: «Η πόλη είναι ελεύθερη 700 χρόνια και δεν μπορούμε εμείς να της αφαιρέσουμε την ελευθερία». Παρά την ηρωική αντίσταση των κατοίκων, η πόλη της Μήλου εκπορθήθηκε και οι Αθηναίοι κατέσφαξαν όλο τον ανδρικό πληθυσμό. Οι γυναίκες και τα παιδιά πουλήθηκαν ως σκλάβοι και στο νησί εγκαταστάθηκαν 500 Αθηναίοι κληρούχοι. Κάποιοι από τους κατοίκους επανήλθαν στο νησί από τον Λύσανδρο, μετά την ήττα των Αθηναίων στους Αιγός Ποταμούς (405 π.Χ). Από την αρχαιότητα έχει διασωθεί η περίφημη ρήση: «λιμώ Μηλίω» που αναφέρεται στον λιμό που υπέστησαν οι Μήλιοι κατά την πολιορκία τους από τους Αθηναίους.
Η Μήλος ακολούθησε την ιστορική μοίρα των υπόλοιπων Κυκλάδων Μετά τους Μακεδόνες ήρθε η σειρά των Ρωμαίων οι οποίοι την ενέταξαν το 27 π.Χ. στην αυτοκρατορία τους.
Ο Ρωμαίος φυσικός, φιλόσοφος και ιστοριογράφος Πλίνιος αναφέρεται στα χρήσιμα για την ιατρική ορυκτά του νησιού. Αναφέρει τη στυπτηρία της Μήλου, την υγρή και την στερεή, που θεωρούνταν από τα καλύτερα φάρμακα. Αριστης ποιότητας ήταν το θείο και ένα είδος λευκού χρώματος με την ονομασία «μήλινον» που κατασκευαζόταν στο νησί. Ο Πλίνιος εκθειάζει και τις ιαματικές ιδιότητες των θερμών νερών της Μήλου τα οποία είχαν γλυκιά γεύση.
Η πρώιμη παρουσία του χριστιανισμού στο νησί μαρτυρείται από τις παλαιοχριστιανικές κατακόμβες του νησιού, οι οποίες σύμφωνα με τους αρχαιολόγους είναι οι μοναδικές κατακόμβες στον ελληνικό χώρο. Η είσοδος των κατακομβών βρίσκεται στην περιοχή του οικισμού Τρυπητή, κοντά στο χώρο που βρισκόταν η αγορά της αρχαίας πόλης της Μήλου.
Την εποχή του Βυζαντίου ανήκε στην «Επαρχία των Νήσων» (395-565) και αργότερα στο Θέμα του Αιγαίου, με πρωτεύουσα τη Σάμο. Το 1207 πέρασε στην εξουσία του Μάρκου Σανούδου, ως μέρος του Δουκάτου του Αιγαίου πελάγους με πρωτεύουσα τη Νάξο. Ο Ιωάννης Σανούδος 6ος δούκας του Αιγαίου Πελάγους, παραχώρησε το νησί στον αδελφό του Μάρκο, ο οποίος με τη σειρά του το έδωσε ως προίκα στη κόρη του Φιορέντσα που παντρεύτηκε τον Φραγκίσκο Κρίσπι. Ο τελευταίος, αφού δολοφόνησε τον δούκα Νικόλαο Δε λα Κάρτσερι, αναγορεύτηκε δούκας του Αρχιπελάγους και προσάρτησε τη Μήλο. Στη τοπική ιστορία του νησιού την εποχή εκείνη καταγράφεται η επιδρομή του τούρκου πειρατή Καραδόντη που λεηλάτησε το νησί, κατάστρεψε το κάστρο και πήρε 160 αιχμαλώτους. Ο οθωμανικός στόλος με τον Χαϊρεντίν Μπαρμπαρόσα το 1537 κατέλαβε τη Μήλο και κατέστησε τον οίκο των Κρίσπι φόρου υποτελή στο Σουλτάνο. Από το 1566 έως το 1579 το νησί είχε παραχωρηθεί από τους Οθωμανούς στον Εβραίο Ιωσήφ Νάζι.
Ενδιαφέρον ιστορικό γεγονός θεωρείται η κατάληψη της Μήλου το 1677 από τον Ελληνα πειρατή Ιωάννη Κάψη, ο οποίος αυτοαναγορεύτηκε ηγεμόνας του. Μετά, όμως, από τρία χρόνια, οι Τούρκοι κατάφεραν με δόλιο τρόπο να τον συλλάβουν, τον πήγαν στην Πόλη και τον κρέμασαν. Το νησί όλη αυτή την περίοδο συνδέθηκε με την πειρατεία, αφού στο ασφαλές λιμάνι του έβρισκαν καταφύγιο κυρίως Γάλλοι πειρατές. Εχουν διασωθεί ενδιαφέρουσες περιγραφές για τον βίο και την πολιτεία τους με αποτέλεσμα η Μήλος να θεωρείται το κέντρο εμπορίου της λείας των πειρατών.
Είναι χαρακτηριστικό ότι οι Λατίνοι που ζούσαν εδώ είχαν δικό τους επίσκοπο. Οταν χρειάστηκε να κτιστεί εκκλησία των καπουτσίνων μοναχών, στη δαπάνη συνέβαλλαν ο βασιλιάς της Γαλλίας με 1000 σκούδα και οι πολυεθνικοί πειρατές.
Η Μήλος συμμετείχε στον Αγώνα του 1821 και το 1830 απετέλεσε μαζί τις υπόλοιπες Κυκλάδες επαρχία του νεοσύστατου Ελληνικού Βασιλείου.
Με το νησί συνδέεται και το περίφημο άγαλμα της Αφροδίτης της Μήλου που εκτίθεται στο Μουσείο του Λούβρου. Πρόκειται για ένα άγαλμα του 2ου αιώνα π.Χ, που αποδίδεται σε γλύπτη από τη Μικρά Ασία, και ενσαρκώνει το ιδεώδες της κλασικής ομορφιάς κατά τα τέλη της ελληνιστικής εποχής. Το ύψους 2,11μ. και βάρους 900 κιλών άγαλμα της ημίγυμνης γυναικείας μορφής, βρέθηκε στις 8 Απριλίου του 1820 από ένα κάτοικο της Μήλου. Ο πλοίαρχος γαλλικού πολεμικού που ναυλοχούσε στο νησί, σε συνεννόηση με τον πρόξενο της Γαλλίας στο νησί και της ενέργειες του Γάλλου πρεσβευτή στην Υψηλή Πύλη, αγόρασε το άγαλμα και το προσέφερε στο βασιλιά Λουδοβίκο ΙΗ’.
