Archeologische vondsten op de Cynthus-heuvel wijzen op een vroege nederzetting uit het 3e millennium v.Chr. Het eiland was toen al een religieus centrum. Grieks sprekende inwijkelingen introduceerden al vóór het 1e millennium v.Chr. de eredienst van Apollon, die de prehelleense eredienst geleidelijk verdrong.

De eigenlijke geschiedenis van Delos begint in de 6e eeuw v.Chr., toen Pisistratus het voor Athene veroverde, om vandaar uit de Cycladen te overheersen. Na hem kwam het eiland tijdelijk in bezit van Polycrates van Samos. Na de Perzische Oorlogen werd Delos de zetel van de Delisch-Attische Zeebond.

Socrates roemt de diepzeeduikers van Delos, die als enigen de vaste grond onder de duistere uitspraken van Heraclitus konden bereiken.

Naast de religieuze betekenis was de plaats ook in economisch opzicht zeer belangrijk dankzij haar ligging en de uitbouw van haar handelshaven. Het is altijd een slavenmarkt geweest en een voorname marktplaats voor graan in het Egeïsche gebied.

Delos werd na de dood van Alexander de Grote een vrije stadstaat, die de Romeinen nadien tot een bloeiende vrijhaven maakten: er hoefde geen belasting betaald te worden op het verhandelen van goederen. In de 1e eeuw v.Chr. kwam er een einde aan de economische welvaart: eerst werd het eiland verwoest en de bevolking uitgemoord door Mithridates VI in 88 v.Chr., en nadien, in 69 v.Chr., werd het door piraten geteisterd. Het religieuze en economische leven van Delos doofde langzaam uit. Het raakte volkomen verlaten, steeds verder geplunderd en verwoest en de Venetianen gebruikten het een tijd als goedkope steengroeve.

De Franse archeologische school van Athene begon in 1872 met opgravingen, die de grote religieuze en culturele betekenis van het eiland hebben aangetoond. Delos is met zijn 50 ha opgravingsgebied een van de belangrijkste toeristische attracties van Griekenland. Vanaf de naburige eilanden Mikonos en Tinos kan men per boot Delos gemakkelijk bereiken.