Il existe quelques preuves évidentes d'une installation permanente ou d'une durée prolongée de Polynésiens sur les plus grands îlots formant l'île bien avant l'arrivée des premiers Européens.
Des gravures et d'autres types de modèles pour plateformes furent découvertes par les premières expéditions sur l'île. On trouve même un grand marae à l'ouest de l'îlot Nake. Cependant, il n'a pas été établi de datation de ces objets par les archéologues.
La première expédition européenne faisant mention de l'île du Millénaire fut celle du portugais, voguant sous pavillon espagnol, Pedro Fernández de Quirós qui la découvrit le 21 février 1606. Il nomme alors l'île San Bernardo.
L'île fut ensuite en quelque sorte « redécouverte », du fait du manque de rapidité de transmission des nouvelles cartes maritimes. Ainsi, nombreux crurent l'avoir découverte en lui donnant de nouveaux noms, ignorant alors les précédentes découvertes. Ce fut le cas le 16 décembre 1795 pour le capitaine William Robert Broughton à bord du HMS Providence qui lui donna le nom d'« atoll de Caroline », nom qui demeurera pour devenir plus tard simplement « Caroline ». Ce nom fut donné « en l'honneur de la fille de Sir P. Stephens de l'Amirauté ».
L'île du Millénaire fut de nouveau repérée en 1821 par le baleinier d'approvisionnement anglais Supply qui la nomma Thornton Island (île de Thornton) du même nom que le capitaine du navire. D'autres noms furent aussi donnés à l'atoll comme Hirst Island, Clark Island ou encore Independance Island. Parmi les autres premières visites qui ont laissé derrière elles des noms à l'île, on retrouve celle de l'USS Dolphin en 1825 (notée par le lieutenant Hiram Paulding), et celle d'un baleinier en 1835 (notée par Frederick Debell Bennett dans son livre ).
En 1846, la société tahitienne Collie et Lucett tenta de créer une petite communauté autour de l'élevage et de la culture du coprah sur l'île, une opération qui ne rencontra que peu de succès, notamment au niveau financier. En 1868, l'île du Millénaire fut revendiqué par le navire britannique HMS Reindeer, qui remarqua 27 résidents installés sur l'îlot sud. Cette habitation dura jusqu'en 1904, quand les six Polynésiens restants furent transférés à Niue.
En 1872, l'île fut louée par le gouvernement britannique à Houlder Brothers, qui y a exploité des mines de guano. En 1881, le bail fut pris en charge par le gestionnaire de l'exploitation minière, John T. Arundel (dont l'un des îlots porte le nom). L'exploitation du guano, qui avait commencé en 1874, fournit un total d'environ 10 000 tonnes de phosphate jusqu'à ce que les réserves s'épuisent vers 1895.
En 1883, une expédition d'astronomes américains fit le voyage du Pérou à l'île à bord de l'USS Hartford pour observer une éclipse solaire totale le 6 mai. Une expédition française observa également l'éclipse depuis l'île. L'US Navy en profita pour cartographier l'atoll. Johann Palisa, un membre de l'expédition, découvrira plus tard dans l'année un astéroïde qu'il nomma Carolina « en souvenir de sa visite sur île ».
Louée à S.R. Maxwell and Company, l'île connut une nouvelle implantation en 1916, cette fois uniquement autour de l'exportation du coprah. Une grande partie de l'île sud fut alors déboisée pour faire place à des cocotiers, une plante non-autochtone. L'entreprise connut cependant assez vite des dettes et la population de la colonie diminua lentement. En 1926, elle tomba à seulement dix habitants et en 1936, la colonie ne comptait plus que deux familles originaires de Tahiti avant que l'île ne redevienne inhabitée vers la fin des années 1930.
L'île du Millénaire demeura inhabitée et préservée pendant la Seconde Guerre mondiale et par la suite. Elle resta sous souveraineté britannique, reprise par la British Western Pacific High Commission en 1943 et gouvernée en tant que partie du sud et du centre des îles de la Ligne. En janvier 1972, le centre et le sud des îles de la Ligne, y compris l'île du Millénaire, furent rattachés à la colonie britannique des îles Gilbert et Ellice, qui devint autonome en 1971 dans le cadre de la décolonisation britannique.
En 1979, les îles Gilbert et Ellice deviennent la nation indépendante des Kiribati. L'île du Millénaire devint alors et continue d'être le point le plus oriental des Kiribati. L'ensemble du territoire de l'île est actuellement détenu par le gouvernement de la République des Kiribati, contrôlée par le Ministry of Line and Phoenix Groups (Ministère des îles de la Ligne et Phœnix), dont le siège est sur l'île Christmas. Les États-Unis revendiquèrent la souveraineté de l'île en vertu du Guano Islands Act mais l'abandonnèrent en 1979 par le traité de Tarawa, ratifié par le Sénat des États-Unis en 1983.
L'île fut de nouveau brièvement habitée de 1987 à 1991 par Ron Falconer, son épouse Anne, et leurs deux enfants, qui développèrent une colonie très autonome sur l'atoll. Suite à transfert de propriété, Falconer fut expulsé de l'île par le gouvernement des Kiribati. Un livre, , rédigé par M. Falconer, révèle l'histoire de leur séjour sur l'île.
Dans les années 1990, l'île fut louée à Urima Felix, un entrepreneur de Polynésie française, qui construit une petite maison sur un des îlots et aurait eu des plans pour le développement de l'atoll. L'île reçoit aussi parfois la visite de cueilleurs de coprah venant de Polynésie, dans le cadre d'accords avec le gouvernement de Kiribati signés à Tarawa.
Le 23 décembre 1994, la République des Kiribati a annoncé un changement du fuseau horaire des îles de la Ligne, qui devait prendre effet le 1er janvier 1995. Cet ajustement déplaçait la ligne de date internationale de plus de 1 000 km à l'est de Kiribati, plaçant ainsi toutes les Kiribati du côté de l'Asie, sur le côté ouest de la ligne de date, malgré le fait que la Caroline, à 150 degrés de longitude ouest, correspond au fuseau UTC-10 plutôt que l'heure officielle de sa zone de fuseau UTC+14. L'île du Millénaire a maintenant la même heure que les îles Hawaii (Hawaii-Aleutian Standard Time Zone), mais un jour plus tard. Cette initiative fait de l'île du Millénaire à la fois le point terrestre le plus oriental au niveau des zones de temps, et l'un des premiers points de la terre (les autres étant les pôles) qui verrait le lever du soleil du 1er janvier 2000, à 5 h 43 du matin, heure locale.
La raison invoquée pour ce changement a été une promesse électorale du président des Kiribati Teburoro Tito visant à éliminer la confusion due au fait que les Kiribati étaient à cheval sur la ligne de changement de date, et donc empêchant le territoire d'être constamment entre deux jours. Les fonctionnaires gilbertins n'étaient d'ailleurs pas réticents à ce changement sur le nouveau statut de la nation car ils devenaient alors les propriétaires des terres qui allaient voir pour la première fois le lever du soleil en 2000. Les autres pays du Pacifique, parmi lesquels les Tonga et les îles Chatham de Nouvelle-Zélande, ont en revanche protesté contre ce déplacement, objectant que cela portait atteinte à leur volonté d'être parmi les premières terres à voir l'aube de l'an 2000.
En 1999, afin de mieux tirer parti de l'énorme intérêt du public pour les célébrations marquant l'arrivée de l'an 2000, l'île du Millénaire fut officiellement rebaptisée île du Millénaire. Bien qu'inhabitée, une célébration spéciale s'est tenue sur l'île, avec des spectacles d'artistes des Kiribati assisté par le président Tito. Plus de 70 chanteurs et danseurs gilbertins se rendirent à l'île du Millénaire depuis Tarawa, accompagnés d'environ 25 journalistes. La cérémonie, retransmise par satellite dans le monde entier, eut une audience estimée à près d'un milliard de téléspectateurs.
Bien que de nombreux médias et le gouvernement affirment le contraire, l'île du Millénaire n'a pas été le premier point de la terre à voir le lever du soleil du 1er janvier 2000, cette distinction appartient à une pointe de terre entre le glacier de Dibble et la baie Victor sur la côte de la l'Antarctique oriental, de coordonnées , où le soleil est apparu 35 minutes plus tôt. Comme ce point est proche du cercle polaire antarctique, et que la zone au-delà de ce cercle est éclairée en permanence par la lumière du soleil pendant le mois de décembre, la définition exacte du point devient alors une question de distinction entre le coucher et le lever immédiat du soleil sachant les effets de la réfraction atmosphérique.
Comme l'île du Millénaire ne dépasse pas six mètres au-dessus du niveau de la mer, elle est en danger à cause de la montée des eaux due au réchauffement climatique. Le gouvernement des Kiribati estime que l'île pourrait être recouverte par la mer dès 2025 et l'Organisation des Nations unies a classé l'île parmi les plus en danger par rapport à l'élévation du niveau de la mer.