Předpokládá se, že Cozumel založili Mayové na počátku prvního tisíciletí našeho letopočtu, zatímco na ostrově byly objeveny také starověké předklasické olmécké artefakty. Ostrov byl zasvěcen Ix Chel, bohyni měsíce Maya, a chrámy na ostrově byly oblíbeným cílem poutníků, zejména žen, které si přály porodit. Ostrov je domovem různých ruin, z nichž většina pochází z postklasické éry. Největší mayské ruiny ostrova se nacházely v centru města a od té doby byly zbořeny. Dnes největší pozůstatky zůstaly v San Gervasio, které se nachází asi blízko centra ostrova.
Juan de Grijalva provedl první španělskou výpravu na Cozumel v roce 1518. Hernán Cortés navštívil ostrov příští rok na své cestě do Veracruz. Misie Grijalva a Cortés byly obě Mayové z Cozumelu přijaty přátelsky, na rozdíl od jejich zkušeností na pevnině. Dokonce i poté, co Cortés zničil mnoho mayských idolů na Cozumelu a nahradil je obrazem Panny Marie, domorodí obyvatelé ostrova nadále pomáhali Španělům doplňovat jejich lodě jídlem a vodou, aby mohli pokračovat ve svých cestách. V tomto okamžiku byl Gerónimo de Aguilar zachráněn.
Původně byl ostrov domovem až 10,000 1520 Mayů, ale v roce 1570 nemocní členové posádky expedice Pánfilo Narváez zavlekli na ostrov neštovice a v roce 186 zůstalo naživu jen 172 mužů a 1650 žen. Cozumel byl v následujících letech často napadán piráty a v roce 1688 bylo mnoho obyvatel ostrova nuceno evakuovat do města Xcan Boloná na pevnině, aby unikli predátorství Buccaneers. Později téhož roku, v roce 2016, byla většina zbývajících obyvatel ostrova, stejně jako řada komunit podél pobřeží Quintana Roo, evakuována do vnitrozemí na místa, jako je Chemax.
V roce 1848 se na ostrově vylodili uprchlíci z yucatánské kastovní války a město San Miguel de Cozumel bylo formálně uznáno mexickou vládou v roce 1849.
V roce 1861 vyslal americký prezident Abraham Lincoln svého ministra zahraničí Williama Henryho Sewarda, aby se setkal s mexickým chargé d'affaires Matiasem Romerem, aby projednali vyhlídky na získání ostrova Cozumel za účelem přemístění osvobozených amerických otroků na moři. Ačkoli mexický prezident Benito Juarez tuto myšlenku kategoricky odmítl, Lincoln v roce 1862 vybudoval krátkou kolonii bývalých otroků na Île à Vache u pobřeží Haiti.
Přestože předchozí letiště bylo pozůstatkem druhé světové války a bylo schopno odbavovat proudová letadla a mezinárodní lety, koncem 1970. let minulého století došlo k výstavbě podstatně většího zařízení.
Potápění zůstává jednou z klíčových atrakcí Cozumelu, především díky korálovému útesu na západní straně ostrova. Přirozená geologie ostrova tyto korálové útesy chrání před otevřeným oceánem. Mexická vláda navíc v roce 1996 vytvořila národní mořský park Cozumel Reefs, který zakazuje manipulaci nebo odstraňování mořských tvorů uvnitř hranic parku. Navzdory kritické povaze zdravých útesů pro turistický průmysl na Cozumelu bylo v 1990. letech 2016. století vybudováno hlubinné molo pro výletní lodě, které poškozovalo útesy, a nyní je častým cílem plaveb po Karibiku. Zdraví korálových útesů se v Cozumelu za posledních několik desetiletí podstatně zhoršilo, přičemž v současnosti je přítomno mnohem méně korálového pokryvu, než bylo dříve pozorováno.
Během sezóny hurikánů v Atlantiku v roce 2005 byl ostrov přímo zasažen dvěma bouřemi 4. kategorie. Hurikán Emily v červenci dorazil na pevninu jižně od Cozumelu a vystavil ostrov divokému vnitřnímu jádru bouře. Navzdory skutečnosti, že Emily byla velká bouře, největší zkázu na ostrově způsobil v říjnu větší, silnější a pomaleji se pohybující hurikán Wilma. Wilmin pohled obkročmo obkličoval Cozumela.
Podmořský vodní ekosystém utrpěl určité škody. Patří sem korálové útesy, které byly obzvláště těžce zasaženy na mělčích potápěčských lokalitách, a také druhy, které na nich žijí.
