Estas tierras han estado habitadas desde tiempos inmemoriales por los mayas. Antes de la conquista era parte del cacicazgo de Ekab, que se extendía de Cabo Catoche a la Bahía de la Ascensión, junto con las islas de Contoy, Isla Blanca, Isla Mujeres, Cancún y Cozumel.

En las postrimerías del siglo XIX, las islas de Yucatán recibieron a muchos sobrevivientes que huían de la rebelión social maya, conocida como Guerra de Castas y, hacia 1891, formaron el Partido de las Islas, con cabecera en Isla Mujeres y que incluía a Holbox. A partir de 1880, algunos empresarios yucatecos iniciaron la colonización del norte peninsular y crearon la Compañía Colonizadora de la Costa Oriental y la Compañía El Cuyo y Anexas. Esta ocupación se realizó entre 1880 y 1920, con objeto de ampliar y diversificar la frontera agropecuaria y forestal de Yucatán; por ello, al comenzar el siglo ya existían haciendas y poblados como Solferino, Moctezuma, Punta Tunich, Yalahau, Chiquilá, San José, San Fernando, San Ángel, El Ideal y el ingenio azucarero San Eusebio.

El 24 de noviembre de 1902 se creó el Territorio Federal de Quintana Roo, por lo que Holbox quedó integrada como una Subprefectura del Distrito Norte. En 1910 la población del estado se agrupó en ocho municipios, que por motivos económicos fueron divididos en tres zonas que todavía persisten: norte, centro y sur; la zona norte comprendía los municipios de Holbox, Cozumel e Isla Mujeres. En aquel tiempo, Holbox era cabecera municipal de ocho localidades, pero poco después, en 1921, Isla Mujeres los absorbió.

A mediados del siglo XX, los poblados costeños, con pocas excepciones, aumentaron su población lo que generó una sobre-explotación de los recursos. En 1960 se dieron cambios estructurales en los asentamientos, la importancia de Holbox disminuyó y su población se redujo a escasos 500 habitantes. La década de los setenta fue clave para Quintana Roo, pues fue en esa época cuando cambió su estructura poblacional y, en 1974, se transformó en estado.

En febrero de 2024, el frente frio número 32 provocó fuertes inundaciones y severos daños en la infraestructura del poblado, así como en algunas propiedades de sus habitantes. De acuerdo con medios locales, el agua llegó hasta el parque principal de la isla, sin que se reportaran víctimas mortales o heridos.[1]​