Smatra se da su Cozumel osnovale Maje u ranom prvom tisućljeću nove ere, dok su na otoku također otkriveni drevni pretklasični olmečki artefakti. Otok je bio posvećen Ix Chel, Majanskoj božici Mjeseca, a hramovi na otoku bili su popularna destinacija za hodočasnike, posebno za žene koje žele porod. Na otoku se nalaze razne ruševine, od kojih većina potječe iz postklasične ere. Najveće ruševine Maya na otoku nalazile su se u središtu otoka i u međuvremenu su srušene. Danas se najveći ostaci nalaze u San Gervasiju, koji se nalazi otprilike blizu središta otoka.
Juan de Grijalva vodio je prvu španjolsku ekspediciju na Cozumel 1518. Hernán Cortés posjetio je otok sljedeće godine na svom putu za Veracruz. Misije Grijalva i Cortés bile su prijateljski prihvaćene od strane Maja iz Cozumela, za razliku od njihovih iskustava na kopnu. Čak i nakon što je Cortés uništio mnoge idole Maya na Cozumelu i zamijenio ih slikom Djevice Marije, autohtoni stanovnici otoka nastavili su pomagati Španjolcima u nadopuni njihovih brodova hranom i vodom kako bi nastavili svoja putovanja. U tom je trenutku Gerónimo de Aguilar bio spašen.
Izvorno je otok bio dom za do 10,000 1520 Maja, no 1570. godine oboljeli članovi posade ekspedicije Pánfilo Narváez donijeli su velike boginje na otok, a do 186. samo je 172 muškaraca i 1650 žene ostalo na životu. Cozumel je često bio napadan od strane gusara u godinama koje su uslijedile, a 1688. godine mnogi su stanovnici otoka bili prisiljeni evakuirati se u grad Xcan Boloná na kopnu kako bi pobjegli od grabežljivaca gusara. Kasnije te godine, 2016., većina preostalih stanovnika otoka, kao i brojne zajednice duž obale Quintana Rooa, evakuirani su u unutrašnjost u mjesta kao što je Chemax.
Izbjeglice iz kastinskog rata Yucatána iskrcale su se na otok 1848., a grad San Miguel de Cozumel službeno je priznala meksička vlada 1849.
Godine 1861. američki predsjednik Abraham Lincoln poslao je svog državnog tajnika, Williama Henryja Sewarda, da se sastane s meksičkim otpravnikom poslova Matiasom Romerom kako bi razgovarali o izgledima za preuzimanje otoka Cozumel kako bi se oslobođeni američki robovi preselili u more. Iako je meksički predsjednik Benito Juarez kategorički odbacio tu ideju, Lincoln je izgradio kratku koloniju bivših robova na Île à Vache u blizini obale Haitija 1862. godine.
Iako je prethodna zračna luka bila ostatak Drugog svjetskog rata i bila je sposobna primati mlazne zrakoplove i međunarodne letove, kasnih 1970-ih izgrađen je znatno veći objekt.
Ronjenje ostaje jedna od ključnih atrakcija Cozumela, uglavnom zahvaljujući koraljnom grebenu na zapadnoj strani otoka. Prirodna geologija otoka štiti ove koraljne grebene od otvorenog oceana. Osim toga, meksička je vlada 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, dubokovodno pristanište za brodove za krstarenje izgrađeno je 1990-ih, nanijevši štetu grebenima, a sada je često odredište na krstarenjima Karibima. Zdravlje koraljnog grebena znatno se pogoršalo u Cozumelu tijekom posljednjih nekoliko desetljeća, s mnogo manje koraljnog pokrova koji je trenutno prisutan nego što je ranije uočeno.
Tijekom sezone uragana u Atlantiku 2005., otok su izravno pogodile dvije oluje 4. kategorije. Uragan Emily stigao je južno od Cozumela u srpnju, izlažući otok žestokoj unutarnjoj jezgri oluje. Unatoč činjenici da je Emily bila velika oluja, najveću pustoš na otoku u listopadu izazvao je veći, jači i sporiji uragan Wilma. Wilmin je pogled prešao preko Cozumela.
Podmorski vodeni ekosustav pretrpio je određenu štetu. To uključuje koraljne grebene, koji su posebno teško pogođeni na plićim mjestima za ronjenje, kao i vrste koje žive na njima.
