L'île est découverte le 20 octobre 1568 par l'explorateur espagnol Álvaro de Mendaña de Neira. Il trouve "une île basse et stérile" à qui il voulait donner le nom de "San Francisco". L'île fut finalement nommée en l'honneur du capitaine de goélette Samuel Wake en 1796.
Le 20 décembre 1840, une expédition d'exploration américaine commandée par le commodore Charles Wilkes débarqua sur cette île qu'il trouva désolée, sans eau douce et recouverte d'arbustes. Il nota que le lagon était poissonneux. Le naturaliste de l'expédition, Titian Peale, collecta plusieurs nouveaux spécimens dont un œuf de petit albatros et des spécimens aquatiques.
Dans la nuit du 4 mars 1866, le trois-mâts barque Libelle de Brême s'échoua au large de l'île à cause d'une tempête. Le bateau, sous le commandement du capitaine Tobias était parti de San Francisco pour rejoindre Hong-Kong. La célèbre cantatrice Anna Bishop (ex-compagne du grand harpiste Nicolas Bochsa) et son mari Martin Schultz (un diamantaire de New York) étaient à bord avec trois autres membres de la troupe d'opéra. Après 21 jours, les trente passagers et l'équipage embarquèrent dans la baleinière et le canot du bord pour rejoindre l'île espagnole de Guam. La baleinière qui transportait les passagers atteignit Guam le 8 avril. Le canot disparut en mer.
L’île de Wake fut annexée par les États-Unis le 17 janvier 1899. En 1935, Pan American Airways construisit un petit village surnommé "PAAville" pour servir les vols États-Unis-Chine.
En janvier 1941, la Marine américaine construit une base militaire sur l'atoll. Une garnison de 450 officiers, provenant du premier bataillon de la défense marine est affecté accompagné de plus de 1 200 travailleurs civils. On y trouve six canons de 127 mm récupérés sur un croiseur mis à la ferraille, 12 canons anti-aériens M3 de 76 mm, 18 canons lourds M2 et également 30 autres canons légers. Cette garnison est commandée par le commandant Devreux.
Le lendemain de l'attaque de Pearl Harbor, 16 bombardiers japonais attaquent l'île détruisant huit des douze Grumman F4F Wildcat présents sur l'aéroport mais laissèrent intacts les installations défensives. Au matin du 11 décembre, la garnison aidés des quatre Wildcats repoussent le premier débarquement japonais de la Force des mers du Sud de la marine impériale japonaise composée de:
L'artillerie terrestre fit feu sur l'invasion coulant le Hayate qui fut le premier bateau japonais coulé de la Seconde Guerre mondiale et endommagea de nombreux navires. Les Wildcats, quant à eux, coulèrent le Kisaragi.
Le siège continua et l'aviation japonaise continua de bombarder l'île. La marine japonaise détacha deux porte-avions de Pearl Harbour (Soryu et Hiryu). Le 23 décembre, les Japonais lancent la deuxième attaque avec les navires présents lors de la première attaque avec 1 500 hommes supplémentaires. Les deux patrouilleurs accostent à 2h35 puis, après toute une nuit et toute la matinée de combats, les Américains se rendent finalement. Les américains enregistrent une perte de 119 hommes alors que les japonais perdent 900 hommes, deux destroyers et 20 avions. Tous les Américains sont capturés. Le capitaine Henry T. Elrod, un des pilotes du VMF-211 fut décoré de la médaille d'honneur à titre posthume pour avoir abattu deux chasseurs A6M Zero. Une décoration militaire spéciale, la Wake Island Device fut créé en l'honneur des défenseurs de l'île de Wake.
Le 24 février 1942, l'USS Enterprise de la Task Force 16 attaque les troupes japonaises de l'île de Wake. Les États-Unis bombardèrent l'île jusqu'à la reddition des Japonais. Le 5 octobre 1943, les avions de l'USS Yorktown menèrent un raid extrêmement efficace et deux jours après, ayant peur d'une invasion imminente, le vice-amiral Shigematsu Sakaibara ordonna l'exécution de 98 Américains capturés effectuant du travail forcé sur l'atoll. Une inscription encore visible dans une grotte est un témoignage d'un de ces Américains qui réussit à s'échapper mais fut finalement repris. Le 4 septembre 1945, les Japonais se rendent.
L'île fut un poste avancé durant la guerre froide et fut administré par Army Space and Missile Defense Command. Depuis 1974, l'aéroport est utilisé par les militaires américains et quelques vols cargo commerciaux. Il y a aussi deux ports offshore pour des gros navires. L'atoll n'est cependant plus habité.
L'île reste une position stratégique dans le Pacifique et reste un aéroport de secours pour les avions (Wake Island Airfield, code AITA : AWK).
L'île a servi de plateforme de lancement pour plusieurs fusées destinées à tester les systèmes anti-missiles américains.
Depuis le 6 janvier 2009, elle est incluse dans une vaste zone classée monument national américain.