L'île Tromelin est placée sous la juridiction de La Réunion en 1814 et est longtemps administrée par le préfet de cette région française bien qu'elle n'en fasse pas partie. En 1960, l'île Tromelin est officiellement rattachée au ministère des DOM-TOM. Depuis un arrêté du 3 janvier 2005, elle relève de la responsabilité du préfet qui fait office d'Administrateur supérieur des Terres australes et antarctiques françaises. C'est une possession de la France en temps que « domaine privé de l'État » qui fait partie d'un groupe d'îles françaises appelées parfois « Îles éparses de l'océan Indien ». La République de Maurice en réclame la souveraineté.
Depuis 2007, l'île Tromelin fait partie, avec les autres îles Éparses, du cinquième district des Terres australes et antarctiques françaises, un territoire d'outre-mer.
L'île Tromelin, petite et plane, à l'écart des routes de navigation, n'est découverte qu'en 1722 par le navire français de la compagnie des Indes, la Diane, commandé par Jean Marie Briand de la Feuillée et elle est baptisée « Île des Sables » à cause des plages de sable blanc qui l'entourent complètement. L'île est décrite comme une « île plate de 700 toises sur 300 environ ».
L'île Tromelin a aussi connu un épisode tragique surnommé les « naufragés de Tromelin ».
Le 31 juillet 1761, L'Utile, une flûte, navire négrier de la Compagnie française des Indes orientales affrétée par Jean-Joseph de Laborde et commandée par le capitaine Jean de Lafargue, fait naufrage sur les récifs coralliens de l'île. Le bateau parti de Bayonne en France avec 142 hommes d'équipage, après une escale à l'île Maurice (appelée à l'époque « Île de France »), avait embarqué cent soixante hommes, femmes et enfants malgaches à Foulpointe, sur la côte orientale de Madagascar, pour les emmener en esclavage sur l'île Maurice. Une erreur de navigation fait échouer le navire sur les récifs de Tromelin.
Lors du naufrage, l'équipage et une soixantaine de Malgaches arrivent à rejoindre l'île ; mais les autres esclaves, enfermés dans les cales, périssent noyés. L'équipage récupère différents équipements, vivres ainsi que du bois de l'épave. Ils creusent un puits, permettant d'obtenir de l'eau tout juste potable, et se nourrissent des vivres récupérées, de tortues et d'oiseaux de mer.
Le capitaine Jean de Lafargue ayant perdu la raison suite à la perte de son navire est remplacé par son premier lieutenant, commandant en second, Barthélémy Castellan du Vernet. Celui-ci fait construire deux campements sommaires, l'un pour l'équipage et l'autre pour les esclaves, une forge et, avec les matériaux récupérés de l'épave, fait débuter la construction d'une embarcation. Deux mois après le naufrage, les 122 hommes d'équipage restants y prennent place difficilement, laissant les Malgaches sur l'île avec quelques vivres.
Castellan promet à son équipage ainsi qu'aux soixante esclaves restés sur l'île de revenir les chercher. Cette promesse ne sera pas tenue car le gouverneur Desforges-Boucher refusera toujours au lieutenant Castellan de lui fournir un bateau afin de retourner chercher les esclaves qu'il avait dû abandonner. Les marins atteignent Madagascar en un peu plus de quatre jours et sont transférés à La Réunion puis à l'île Maurice.
Durant la traversée de Madagascar vers La Réunion à bord du Silhouette, le capitaine Lafargue décède de maladie et Castellan demande par de nombreuses fois l'autorisation d'aller secourir les esclaves restés sur l'île. Cependant le gouverneur, furieux que Lafargue ait enfreint ses ordres de ne pas importer d'esclaves sur l'île Maurice (il craignait un blocus de l'île par les Anglais et donc d'avoir des bouches à nourrir supplémentaires), refusait catégoriquement.
Castellan finit par abandonner et quitta l'île Maurice pour rentrer en France métropolitaine fin août 1762. La nouvelle de cet abandon arrive à Paris et agite un temps le milieu intellectuel de la capitale avant que les naufragés ne soient oubliés avec le début de la guerre de Sept Ans et la faillite de la Compagnie des Indes.
En 1773, un navire passant à proximité de l'île Tromelin les repère et les signale de nouveau aux autorités de l'île Maurice. Un bateau est envoyé mais ce premier sauvetage échoue, le navire n'arrivant pas à s'approcher de l'île. Un an plus tard, un second navire, La Sauterelle, ne connait pas plus de réussite. Il réussit néanmoins à mettre une chaloupe à la mer et un marin parvient à rejoindre les naufragés à la nage mais il doit être lui aussi être abandonné par ses camarades qui ne peuvent accoster à cause de l'état de la mer et le navire doit quitter les parages de l'île. Ce marin fait alors construire un radeau sur lequel il embarque avec les trois derniers hommes et trois femmes rescapés mais ce radeau disparait en mer, sans doute en 1775.
Ce n'est que le 29 novembre 1776, quinze ans après le naufrage, que le chevalier de Tromelin, commandant la corvette La Dauphine, récupère les huit esclaves survivants : sept femmes et un enfant de huit mois. En arrivant sur place, le chevalier de Tromelin découvre que les survivants sont vêtus d'habits en plumes tressées et qu'ils ont réussi, pendant toutes ces années, à maintenir un feu allumé alors que l'île ne possède pas d'arbre. Les survivants sont recueillis par le gouverneur français de l'île Maurice qui les affranchit et décide de baptiser l'enfant Moïse. Le chevalier de Tromelin est le premier à décrire précisément l'île qui porte désormais son nom.
Une expédition archéologique « Esclaves oubliés » menée par Max Guérout, ancien officier de la marine française et vice-président du Groupe de recherche en archéologie navale, et placée sous le patronage de l'UNESCO, a eu lieu d'octobre à novembre 2006. Les résultats de ses découvertes sont rendus publics le 17 janvier 2007. Les dix membres de l'expédition sondent l'épave de L'Utile et fouille l'île à la recherche des traces des naufragés dans le but de mieux comprendre leurs conditions de vie pendant ces quinze années.
Selon Max Guérout, « il y a très vite des tensions au sein des survivants, à cause de l'eau. En trois jours, un puits de 5 mètres de profondeur est creusé. Cela représente un effort considérable ». « On a retrouvé de nombreux ossements d'oiseaux, de tortues ainsi que des coquilles d'œufs de ces deux familles d'animaux. L'arrivée de ces naufragés a dû causer une véritable catastrophe écologique pour l'île ». « On n'a pas l'impression que ces gens étaient écrasés par leur condition. Ils ont essayé de survivre avec ordre et méthode. »
Un journal de bord anonyme, attribué à l'écrivain de l'équipage, est retrouvé. Sont retrouvés des soubassements d'habitations fabriquées en grès de plage et corail, six gamelles en cuivre réparées à de nombreuses reprises et un galet servant à affûter les couteaux. Le feu du foyer est maintenu pendant quinze ans grâce au bois provenant de l'épave, l'île étant dépourvue d'arbres.
Une deuxième expédition organisée en novembre 2008 ne permet pas de retrouver de sépulture contrairement à des récipients en cuivre témoignant de l'expérience des esclaves.
Par la suite, l'île Tromelin connait d'autres naufrages. En 1830, le capitaine Laplace reçoit pour mission de reconnaître l'île et de s'assurer qu'il n'y ait pas de naufragés. Ne pouvant y aborder, il se contente d'en faire le tour, notant la présence de cabanes abandonnées. Il calcule aussi la position de l'île avec 15° 38' Sud et 52° 11' Est. Cette position n'est rectifiée qu'en 1955 par le révérend père Cattala qui travaille pour l'Observatoire de Tananarive avec 15° 53' Sud et 54° 31' Est. En 1947, l'île commence à intéresser les autorités françaises à des fins de météorologie tropicale pour la surveillance des cyclones. La Marine nationale française organisa deux expéditions en 1953. La direction de la météorologie nationale française, suivant une demande de l'Organisation météorologique mondiale, installe le 7 mai 1954 une station météorologique permanente. L'île est toujours aussi difficile d'accès et lors des débarquements depuis le baliseur Marius Moutet de la mission française en avril et mai 1954, une partie du chargement tombe à la mer. Depuis cette année, une présence humaine est assurée sur l'île par ces seuls météorologistes. Ils sont installés dans un bâtiment de trois étages situé au-devant de l'aérodrome. Juste à côté se trouve la station météorologique composée de nombreux équipements de Météo-France. L'île n'offre aucun port et seul un mouillage au large est possible. Elle possède un aérodrome avec une piste de 1 100 mètres de longueur environ avec radio-guidage par balise. Un phare est situé sur le toit du bâtiment principal.
En 1960, la France place l'île Tromelin, comme les autres îles Éparses, sous l'autorité du ministère des DOM-TOM.
Depuis 1976, Maurice revendique la souveraineté sur l'île Tromelin comme sur l'archipel des Chagos. Si l'île en elle-même ne présente pas un grand intérêt économique ou stratégique, les eaux qui l'entourent sont très poissonneuses. La France considère qu'elle a toujours possédé l'île Tromelin et le traité de Paris de 1814 stipule que la restitution à la France n'exclut que « l’isle de France et ses dépendances nommément Rodrigues et les Séchelles ». L'île Tromelin n'étant pas nommée, Paris considère que l'île appartient donc toujours à la France. Cette possession française n'a été contestée ni par le Royaume-Uni, ni par le gouvernement indépendant de Maurice de 1968 à 1976.
Maurice oppose toutefois la version anglaise du traité de Paris. Cette dernière indique especially Rodrigues and The Seychelles. L'adverbe especially signifie en français « en particulier ». À la suite du traité restituant l'île de La Réunion à la France, les autorités britanniques de Maurice prennent possession d'îles qui n'étaient pas mentionnées dans le traité : l'archipel des Chagos, Agaléga et Saint-Brandon. Les Seychelles sont plus tard détachées de l'île Maurice et deviennent un État indépendant. Maurice affirme également qu'elle possède des documents prouvant qu'elle a bien pris possession de l'île Tromelin. Entre 1901 et 1956, les autorités mauriciennes ont ainsi accordé des baux à quatre Mauriciens pour exploiter le guano sur l'île.
En 2004, la marine nationale française arraisonne deux navires de pêche japonais dans la zone exclusive de l'île Tromelin alors qu'ils bénéficient d'une licence de pêche sur cette zone accordée par Maurice.
Une revendication malgache existe sur les îles Éparses mais sans vraiment préciser si elle y inclut l'île Tromelin dont elle a semblé reconnaître la souveraineté mauricienne.
En 2009, un projet d'accord entre la France et l'île Maurice est signé sur un projet de gestion commune de l'île Tromelin.
Le 7 juin 2010, la France et Maurice ont signé un accord de cogestion de Tromelin à Port-Louis.