Se cree que Cozumel fue establecido por los mayas a principios del primer milenio d.C., mientras que en la isla también se han descubierto antiguos artefactos olmecas del Preclásico. La isla estaba dedicada a Ix Chel, la diosa maya de la luna, y los templos de la isla eran un destino popular para los peregrinos, especialmente para las mujeres que deseaban dar a luz. La isla alberga una variedad de ruinas, la mayoría de las cuales datan de la era posclásica. Las mayores ruinas mayas de la isla estaban ubicadas en el centro de la isla y desde entonces han sido demolidas. Hoy en día, los mayores vestigios permanecen en San Gervasio, que se encuentra cerca del centro de la isla.
Juan de Grijalva dirigió la primera expedición española a Cozumel en 1518. Hernán Cortés visitó la isla al año siguiente en su ruta a Veracruz. Las misiones Grijalva y Cortés fueron aceptadas amigablemente por los mayas de Cozumel, en contraste con sus experiencias en el continente. Incluso después de que Cortés destruyó muchos ídolos mayas en Cozumel y los reemplazó con una imagen de la Virgen María, los residentes indígenas de la isla continuaron ayudando a los españoles a reabastecer sus barcos con comida y agua para continuar sus viajes. En este punto, Gerónimo de Aguilar se salvó.
Originalmente, la isla albergaba hasta 10,000 mayas, pero en 1520, miembros de la tripulación enfermos de la expedición Pánfilo Narváez introdujeron la viruela en la isla, y para 1570, solo 186 hombres y 172 mujeres seguían con vida. Cozumel fue atacado a menudo por piratas en los años siguientes, y en 1650, muchos residentes de la isla se vieron obligados a evacuar a la ciudad continental de Xcan Boloná para escapar de la depredación de los bucaneros. Más tarde ese año, en 1688, la mayoría de los habitantes restantes de la isla, así como varias comunidades a lo largo de la costa de Quintana Roo, fueron evacuados tierra adentro a lugares como Chemax.
Los refugiados de la Guerra de Castas de Yucatán desembarcaron en la isla en 1848, y la ciudad de San Miguel de Cozumel fue reconocida formalmente por el gobierno mexicano en 1849.
En 1861, el presidente estadounidense Abraham Lincoln envió a su secretario de Estado, William Henry Seward, a reunirse con el encargado de negocios mexicano Matías Romero para discutir la posibilidad de adquirir la isla de Cozumel con el fin de reubicar a los esclavos estadounidenses liberados en alta mar. Aunque el presidente mexicano Benito Juárez rechazó categóricamente la idea, Lincoln construyó una breve colonia de ex esclavos en Île à Vache frente a la costa de Haití en 1862.
Aunque el aeropuerto anterior era un remanente de la Segunda Guerra Mundial y era capaz de manejar aviones a reacción y vuelos internacionales, a fines de la década de 1970 se vio la construcción de una instalación considerablemente más grande.
El buceo sigue siendo una de las atracciones clave de Cozumel, debido en gran parte al arrecife de coral en el lado occidental de la isla. La geología natural de la isla protege estos arrecifes de coral del océano abierto. Además, el gobierno mexicano creó el Parque Nacional Marino Arrecifes de Cozumel en 1996, prohibiendo el manejo o remoción de criaturas marinas dentro de los límites del parque. A pesar de la naturaleza crítica de los arrecifes saludables para la industria turística de Cozumel, en la década de 1990 se construyó un muelle de aguas profundas para cruceros que infligió daños a los arrecifes y ahora es un destino frecuente en los cruceros por el Caribe. La salud de los arrecifes de coral se ha deteriorado sustancialmente en Cozumel durante las últimas décadas, con mucha menos cobertura de coral presente en la actualidad de lo que se había observado anteriormente.
Durante la temporada de huracanes del Atlántico de 2005, la isla se vio directamente afectada por dos tormentas de categoría 4. El huracán Emily tocó tierra al sur de Cozumel en julio, exponiendo la isla al feroz núcleo interno de la tormenta. A pesar de que Emily fue una tormenta importante, fue el huracán Wilma, más grande, más fuerte y de movimiento más lento, el que causó el mayor caos en la isla en octubre. La mirada de Wilma se posó a horcajadas sobre Cozumel.
El ecosistema acuático submarino sufrió algunos daños. Esto incluye los arrecifes de coral, que se vieron especialmente afectados en los sitios de buceo menos profundos, así como las especies que viven en ellos.
