À l'époque romaine, Torcello est probablement un lieu de villégiature de la noblesse d'Altinum. Lors de la chute de l'Empire romain d'Occident, l'île devient un refuge pour les Vénètes fuyant la terre ferme et est l'une des premières îles de la lagune à être habitée, tout particulièrement après la destruction d'Altinum par les Huns en 452.
Après la guerre des Goths au Ve siècle, la Vénétie est sous la domination théorique de l'exarchat de Ravenne. Cependant, les invasions lombardes et franques provoquent un afflux permanent de réfugiés urbains, attirés par la protection relative de l'île, y compris l'évêque d'Altinum lui-même. En 638, Torcello devient le siège épiscopal officiel ; les habitants d'Altinum y apportent les reliques d'Héliodore.
Torcello se développe principalement entre les VIIe et Xe siècles, après la reconquête de l'Italie par le général romain Bélisaire. Elle maintient d'étroits liens culturels et commerciaux avec Constantinople ; cependant, en tant que poste avancé de l'Empire byzantin, elle s'assure peu à peu d'une autonomie politique croissante vis-à-vis de l'Empire et prospère à l'intérieur de la confédération d'îles qui donnera naissance à l'État vénitien.
Au Xe siècle, Torcello compte 10 000 habitants, pas moins de 10 églises et plusieurs couvents. Important comptoir commercial, Torcello est l'île la plus puissante et la plus riche de la lagune. Les salines des marais du lagon forment la base de l'économie de Torcello et son port se développe rapidement pour devenir un important marché au cœur des routes commerciales entre l'est et l'ouest de l'Europe.
Torcello, avec les îles voisines de Mazzorbo, Burano, Ammiana et Costanziaco, forme la tête de pont commerciale de Venise sur la mer Adriatique. La cathédrale est reconstruite au XIe siècle. Au XIVe siècle, Torcello est le principal centre d'exploitation de la laine du duché de Venise. La ville possède sa noblesse propre et est dirigée par deux conseils, régis par un gastaldo et un podestat.
À partir du XIIe siècle, la lagune entourant Torcello s'envase. La navigation y devient progressivement impossible et la malaria s'y propage. Les habitants quittent alors l'île pour aller s'installer à Burano, Murano ou sur l'île de rivus altus, la zone du futur Rialto où le pouvoir politique se déplace peu à peu. Torcello est désertée. Le siège épiscopal déménage à Murano au XIVe siècle et Torcello devient une simple paroisse. Les matériaux de ses bâtiments sont réutilisées en masse pour permettre le développement de Venise, à tel point qu'en 1429, le doge Francesco Foscari ordonne au podestat de Torcello de mettre fin au pillage de marbre et de pierre sur l'île.
Au XIXe siècle, Torcello compte encore plus de 300 habitants, mais la population diminue au cours du XXe siècle. La paroisse de Torcello est supprimée en 1986. Aujourd'hui, Torcello n'a plus que 60 habitants permanents. Quelques-uns de ses canaux subsistent encore, le principal reliant la lagune à la basilique, où de nombreux Vénitiens viennent se marier. Les dernières constructions de l'île sont la basilique Santa Maria Assunta, l'église Santa Fosca, la maison du conseil et quelques cafés et restaurants.
Torcello est desservie par la ligne de vaporetto T de l'ACTV, qui fait la navette entre Burano et Torcello et permet de relier les deux îles en cinq minutes.