Acredita-se que Cozumel tenha sido estabelecida pelos maias no início do primeiro milênio dC, enquanto antigos artefatos olmecas pré-clássicos também foram descobertos na ilha. A ilha foi dedicada a Ix Chel, a deusa maia da lua, e os templos da ilha eram um destino popular para peregrinos, principalmente para mulheres que desejavam dar à luz. A ilha abriga uma variedade de ruínas, a maioria das quais data da era pós-clássica. As maiores ruínas maias da ilha estavam localizadas no centro da ilha e desde então foram demolidas. Hoje, os maiores vestígios permanecem em San Gervasio, que fica perto do centro da ilha.
Juan de Grijalva conduziu a primeira expedição espanhola a Cozumel em 1518. Hernán Cortés visitou a ilha no ano seguinte em sua rota para Veracruz. As missões Grijalva e Cortés foram ambas aceitas amigavelmente pelos maias de Cozumel, em contraste com suas experiências no continente. Mesmo depois que Cortés destruiu muitos ídolos maias em Cozumel e os substituiu por uma imagem da Virgem Maria, os moradores indígenas da ilha continuaram a ajudar os espanhóis a reabastecer seus navios com comida e água para continuar suas viagens. Neste ponto, Gerónimo de Aguilar foi salvo.
Originalmente, a ilha abrigava até 10,000 maias, mas em 1520, tripulantes doentes da expedição Pánfilo Narváez introduziram a varíola na ilha e, em 1570, apenas 186 homens e 172 mulheres permaneceram vivos. Cozumel foi frequentemente atacada por piratas nos anos que se seguiram e, em 1650, muitos moradores da ilha foram forçados a evacuar a cidade continental de Xcan Boloná para escapar da predação dos corsários. Mais tarde naquele ano, em 1688, a maioria dos habitantes remanescentes da ilha, bem como várias comunidades ao longo da costa de Quintana Roo, foram evacuados para o interior para lugares como Chemax.
Refugiados da Guerra das Castas de Yucatán desembarcaram na ilha em 1848, e a cidade de San Miguel de Cozumel foi formalmente reconhecida pelo governo mexicano em 1849.
Em 1861, o presidente americano Abraham Lincoln enviou seu secretário de Estado, William Henry Seward, para se reunir com o encarregado de negócios mexicano Matias Romero para discutir a perspectiva de adquirir a ilha de Cozumel para realocar escravos americanos libertos no mar. Embora o presidente mexicano Benito Juarez tenha rejeitado categoricamente a ideia, Lincoln construiu uma breve colônia de ex-escravos em Île à Vache, na costa do Haiti, em 1862.
Embora o aeroporto anterior fosse um remanescente da Segunda Guerra Mundial e fosse capaz de receber aviões a jato e voos internacionais, o final dos anos 1970 viu a construção de uma instalação consideravelmente maior.
O mergulho continua sendo uma das principais atrações de Cozumel, em grande parte devido ao recife de coral do lado oeste da ilha. A geologia natural da ilha protege esses recifes de coral do mar aberto. Além disso, o governo mexicano criou o Parque Nacional Marinho Cozumel Reefs em 1996, proibindo o manuseio ou remoção de criaturas marinhas dentro dos limites do parque. Apesar da natureza crítica de recifes saudáveis para a indústria do turismo de Cozumel, um píer de águas profundas para navios de cruzeiro foi construído na década de 1990, causando danos aos recifes, e agora é um destino frequente em cruzeiros no Caribe. A saúde dos recifes de coral deteriorou-se substancialmente em Cozumel nas últimas décadas, com muito menos cobertura de coral presente do que foi observado anteriormente.
Durante a temporada de furacões no Atlântico de 2005, a ilha foi atingida diretamente por duas tempestades de categoria 4. O furacão Emily atingiu a costa ao sul de Cozumel em julho, expondo a ilha ao feroz núcleo interno da tempestade. Apesar do fato de que Emily foi uma grande tempestade, foi o furacão Wilma maior, mais forte e mais lento que causou o maior estrago na ilha em outubro. O olhar de Wilma escarranchou em Cozumel.
O ecossistema aquático submarino sofreu alguns danos. Isso inclui recifes de coral, que foram especialmente atingidos em locais de mergulho mais rasos, bem como as espécies que vivem neles.
