En la isla se han recuperado materiales de época romana, que evidencian que ya entonces debió estar poblada, aunque no se han localizado restos de construcciones que den fe de un poblamiento estable.[1]​ No obstante, existen restos de una necrópolis y de pecios con ánforas,[2]​ así como edificaciones quizá industriales.[3]​ Probablemente se identifica con la Planesia de los antiguos griegos,[4]​ que Estrabón describió como una isla peligrosa por la abundancia de escollos, hecho que podría confirmarse por los diversos naufragios de naves romanas que se han hallado en las cercanías de la isla.[5]​ Otro argumento a favor de esta hipótesis es que el geógrafo ceutí al-Idrisi menciona la isla como بلناسية (Blanāsīa), clara derivación del nombre griego.[6]​

Las primeras noticias sobre la necesidad de establecer alguna fortificación datan del siglo XIII. En 1337 se autorizó la construcción de una torre, pero se desconoce si llegó a realizarse. Comoquiera que fuera, en 1427 se propuso organizar un buen sistema defensivo para impedir que fuera ocupada por los corsarios berberiscos venidos de Argel, que la usaban como base de sus acciones contra el Campo de Alicante y el Bajo Vinalopó.[1]​ Durante esta época se la conocía popularmente como Isla de San Pablo (Illa de Sant Pau), ya que según la tradición éste fue el lugar donde desembarcó el apóstol.[4]​ Fue conocida también como Isla Plana (Illa Plana), aunque los cronistas persisten en las denominaciones Alones Insula e Islote de Santa Pola. En época de Felipe III se consideró la idea de construir una fortificación de grandes dimensiones, pero esta se desechó por los gastos que entrañaría su mantenimiento. Pese a todo, en 1760 comenzaron a construirse las primeras edificaciones de la isla,[1]​ de la mano del conde de Aranda, que había promovido también la colonización de Sierra Morena.[7]​

La historia de la actual Tabarca comienza en 1768, cuando Carlos III, instado por el trinitario fray Alonso Cano Nieto,[4]​ consiguió la redención de un grupo de 323 personas de origen ligur que, bajo el gobierno de la República de Génova se habían instalado en la isla tunecina de Tabarka. Esta isla, que distaba unos trescientos metros de las costas norteafricanas, había sido sometida por Ali I, bey de Túnez, en 1741 y había reducido a sus habitantes a la esclavitud y llevados a Argel.[1]​ Casi un tercio murieron durante los tres primeros años de esclavitud en África.[8]​ En ese estado permanecieron los supervivientes hasta el 14 de octubre de 1768, cuando comenzó el rescate, promovido por Carlos III y encargado en secreto a los provinciales de Castilla de las dos órdenes redentoras: fr. Alonso Cano Nieto, trinitario calzado, y fr. Antonio Manuel de Artalejo, mercedario descalzo. La redención se alargó hasta el 8 de diciembre del mismo año.[9]​ Probablemente los tabarquinos llegaron por vía marítima a Cartagena y, de allí, en carretas hasta Alicante, donde, tras la procesión de acción de gracias de los cautivos, quedaron provisionalmente instalados en el antiguo Real Colegio de la Compañía de Jesús,[7]​ vacío tras la expulsión de los jesuitas en 1767.[9]​ La fecha tradicional de su llegada a la ciudad es el 19 de marzo de 1769. Finalmente el conde de Aranda consiguió su traslado a la isla de Santa Pola, a fin de permitirles recuperar el hábitat cotidiano, así como que pudieran seguir ejerciendo la pesca como actividad predominante. Además, el conde había estimado que una población civil estable en la isla sería una gran ventaja a la hora de mantener la plaza.[9]​ Por tanto, no sólo se construyó un fuerte, sino que también se edificó un poblado con categoría de ciudad,[9]​ que tomó el nombre de Nueva Tabarca.[3]​[1]​ En total, fueron 296 los tabarquinos instalados en la isla, de los cuales 31 habían nacido en Italia, 137 en Tabarka, 70 durante el cautiverio en Túnez y 58 durante el cautiverio en Argel.[10]​ Todo este episodio aparece recogido en el mismo libro de bautizos de la parroquia de San Pedro y San Pablo de la siguiente manera:

A cada familia le fue asignada en la isla una casa numerada, con acto formal y recibo regular. Además, se concedió a los colonos una serie de privilegios y exenciones, eximiéndoles del servicio de las armas y del pago de los impuestos directos e indirectos a que estaban sujetos los pueblos de la monarquía.[9]​ La seguridad fue confiada a una galeota y para el desarrollo de la pesca se concedieron seis embarcaciones aparejadas.[10]​ El origen genovés de sus habitantes actuales es fácil de comprobarse a través de un seguimiento histórico de los apellidos más comunes, algunos fonéticamente hispanizados: Buzo, Capriata, Chacopino (Jacopino), Colomba, Russo, etc.[4]​

Las primeras casas se terminaron en 1770, año en que se trasladó a los tabarquinos a la isla. Las obras corrieron a cargo del ingeniero militar Fernando Méndez de Ras,[3]​ que construyó murallas, baterías, baluartes, tenazas, puertas, almacenes y glacis.[1]​ Las obras concluyeron con la construcción de casas para los colonos, bóvedas subterráneas donde almacenar los pertrechos militares, caballerizas, la iglesia, la casa del gobernador y las casas de Ayuntamiento, por si alguna vez llegara a tenerlo (cosa que nunca sucedió). Además, se realizó toda una serie de instalaciones imprescindibles para la vida isleña, como lavadero, cisterna para el agua de lluvia, hornos de pan, cal y yeso, etc.[1]​

Nueve años después del comienzo de la colonización, entre el 24 y el 25 de marzo de 1779, viajó a la isla una comisión encargada de recopilar un elenco de los residentes, correspondiente con la real situación residencial y laboral de cada uno, cuyo informe sugirió una clara situación de declive: la tierra apenas se trabajaba debido a la poca calidad del terreno, las embarcaciones estaban en desuso y faltas de mantenimiento, la mayoría de los colonos vivía rozando la miseria, la fortaleza ya estaba comenzando a desmoronarse, faltaba agua, etc.[10]​ Por tanto, fue necesario un plan específico para activar a la población residente, que se tradujo en la llegada de José Rouge como comandante interino de la Plaza.[10]​

Sin embargo, la nueva situación geopolítica de finales del siglo XVIII y principios del XIX obligó a un cambio en los objetivos de España en el mar Mediterráneo, lo que redujo drásticamente la importancia militar de la isla y, por ende, el número de la guarnición.[3]​ Además, en 1835, con la implantación del sistema constitucional se retiraron todos los privilegios y exenciones de que disfrutaban los tabarquinos.[9]​ En el Diccionario de Madoz (1845-1850) se describe Tabarca ya en una fase de cierto declive:

Finalmente, la guarnición, junto con el gobernador, abandonó la isla en 1850,[12]​ momento en que empieza realmente el declive de la isla, que no se recuperaría hasta bien entrada la década de 1960.[3]​ En 1854 se inauguró el faro, que llegó a ser escuela de fareros.[9]​

Debido por una parte al descenso continuado de la población, y por otro a los planes especiales de protección redactados desde mediados del siglo XX, las escasas construcciones nuevas se han situado en el interior del recinto amurallado y en la zona del istmo, conservando así la isla en conjunto un aspecto similar al que tenía en el siglo XVIII.[3]​ Desde la década de 1980 se han llevado a cabo obras de restauración en la mayoría de los edificios de la isla como las murallas, el faro, la iglesia y, con mayor envergadura debido al avanzado estado de ruina que presentaba, la Casa del Gobernador.[3]​ El 14 de abril de 1983 se declaró la isla reserva marina, «a fin de preservar la fauna y flora marina de la zona y servir de base de repoblación en beneficio de la riqueza ecológica de las aguas colindantes».[9]​ Aunque las casas originales se han ido sustituyendo a lo largo de los años, el único conjunto de vivienda específicamente nuevo lo constituyen un pequeño conjunto de adosados en la parte suroeste del recinto amurallado, diseñados por el arquitecto Juan Luis Gallego.[3]​

Es la única isla habitada (junto con la de La Graciosa) del territorio español libre de la pandemia de enfermedad por coronavirus de 2020.[13]​