Smatra se da su Kozumel osnovali Maje u ranom prvom milenijumu nove ere, dok su drevni preklasični olmečki artefakti takođe otkriveni na ostrvu. Ostrvo je bilo posvećeno Ix Chel, boginji Meseca Maja, a hramovi na ostrvu bili su popularna destinacija za hodočasnike, posebno za žene koje žele porođaj. Ostrvo je dom raznih ruševina, od kojih većina datira iz postklasičnog doba. Najveće ruševine Maja na ostrvu nalazile su se u centru ostrva i od tada su srušene. Danas su najveći ostaci ostali u San Gervasiju, koji se nalazi u blizini centra ostrva.
Huan de Grijalva je izveo prvu špansku ekspediciju na Cozumel 1518. godine. Hernán Cortés je posjetio ostrvo sljedeće godine na svom putu za Veracruz. Misije Grijalva i Cortés bile su prijateljski prihvaćene od strane Maja sa Cozumela, za razliku od njihovih iskustava na kopnu. Čak i nakon što je Cortés uništio mnoge idole Maja na Cozumelu i zamijenio ih slikom Djevice Marije, domorodački stanovnici ostrva nastavili su da pomažu Špancima da napune svoje brodove hranom i vodom kako bi nastavili svoja putovanja. U ovom trenutku, Gerónimo de Aguilar je spašen.
Prvobitno je na ostrvu živelo do 10,000 Maja, ali 1520. godine oboleli članovi posade ekspedicije Panfila Narvaeza preneli su velike boginje na ostrvo, a do 1570. godine samo 186 muškaraca i 172 žene ostalo je u životu. Cozumel su često napadali pirati u godinama koje su uslijedile, a 1650. godine mnogi stanovnici ostrva bili su prisiljeni evakuirani u kopneni grad Xcan Boloná kako bi pobjegli od grabežljivaca Buccaneersa. Kasnije te godine, 1688., većina preostalih stanovnika ostrva, kao i određeni broj zajednica duž obale Kintana Ro, evakuisani su u unutrašnjost na mesta kao što je Chemax.
Izbjeglice iz Jukatanskog rata kasti iskrcale su se na ostrvo 1848. godine, a grad San Miguel de Cozumel je formalno priznala meksička vlada 1849. godine.
Godine 1861., američki predsjednik Abraham Lincoln poslao je svog državnog sekretara Williama Henryja Sewarda da se sastane s meksičkim otpravnikom poslova Matiasom Romerom kako bi razgovarali o izgledima za preuzimanje ostrva Cozumel kako bi se oslobođeni američki robovi preselili na pučinu. Iako je meksički predsjednik Benito Huarez kategorički odbacio tu ideju, Linkoln je izgradio kratku koloniju bivših robova na otoku Île à Vache kod obale Haitija 1862.
Iako je prethodni aerodrom bio ostatak iz Drugog svetskog rata i bio je sposoban za upravljanje mlaznim avionima i međunarodnim letovima, kasnih 1970-ih godina izgrađen je znatno veći objekat.
Ronjenje je i dalje jedna od ključnih atrakcija Cozumela, uglavnom zahvaljujući koralnom grebenu sa zapadne strane ostrva. Prirodna geologija ostrva štiti ove koralne grebene od otvorenog okeana. Uz to, meksička vlada je 1996. godine stvorila Nacionalni morski park Cozumel Reefs, zabranjujući rukovanje ili uklanjanje morskih stvorenja unutar granica parka. Unatoč kritičnoj prirodi zdravih grebena za turističku industriju Cozumela, 1990-ih izgrađen je dubokomorski pristanište za brodove za krstarenje, nanijevši štetu grebenima, a sada je česta destinacija na krstarenjima Karibima. Zdravlje koraljnog grebena se značajno pogoršalo u Cozumelu u posljednjih nekoliko desetljeća, s mnogo manje koraljnog pokrivača nego što je ranije uočeno.
Tokom sezone uragana na Atlantiku 2005. godine, ostrvo su direktno pogodile dvije oluje kategorije 4. Uragan Emily stigao je na kopno južno od Cozumela u julu, izlažući ostrvo žestokom unutrašnjem jezgru oluje. Uprkos činjenici da je Emily bila velika oluja, najveći, jači i sporiji uragan Wilma izazvao je najveći haos na ostrvu u oktobru. Wilmin pogled opsjeda Cozumel.
Podmorski vodeni ekosistem pretrpio je određenu štetu. To uključuje koralne grebene, koji su posebno teško pogođeni na plićim mjestima za ronjenje, kao i vrste koje žive na njima.
