Le premier peuplement attesté de l’île remonte au Néolithique : il s’agit de tribus originaires de Carie. Au début du XI siècle av. J.-C., des Ioniens s’y installent. Pendant les guerres médiques, Myconos accueille le général perse Datis, de retour de Marathon. Selon Eschyle (Les Perses), l’île est aux mains des Perses en 885 av. J.-C. Par la suite, Myconos fait partie de la ligue de Délos, au sein de laquelle elle paie un tribut d’un talent et demi, par la suite réduit à un talent. En raison de sa proximité avec Délos, l’île sert de base de ravitaillement à cette dernière. Le temple d’Apollon à Délos possède ainsi des terres au sud-ouest de Myconos.
Pline l'Ancien précise à propos de l'île : « Mycone, avec le mont Dimaste, à 15 000 pas de Délos ».
Sous les Romains, Myconos devient un port franc, et se développe de manière considérable, avant de connaître une certaine décadence sous l’Empire byzantin.
En 1207, Myconos est prise par les frères vénitiens Ghizzi, qui la conservent jusqu’en 1390. En 1537, l’île est ravagée par Khayr ad-Din Barberousse, corsaire au service de Soliman le Magnifique. Les Myconiates deviennent à leur tour corsaires, développant ainsi une importante marine de guerre.
L'île participa à la guerre d'indépendance grecque en fournissant des navires à l'amiral Emmanuel Tombazis. Elle résista à une expédition punitive ottomane grâce à son héroïne locale Mando Mavrogenis, enterrée sur Paros.