Kéa est habitée depuis la préhistoire, comme en témoigne le site fortifié d'Agia Irini, l'un des centres les plus importants de la mer Égée pendant l'âge du Bronze (IIIe–IIe millénaire av. J.-C.), entretenant des liens étroits avec la Crète minoenne et les Cyclades. Son sanctuaire aux figurines féminines en terre cuite grandeur nature demeure unique dans le monde grec.
Dans l'Antiquité, l'île se divisait en quatre cités-États — Ioulida, Carthaia, Koressia et Poiessa — qui prospérèrent et participèrent à la Ligue de Délos. Kéa donna naissance à de grandes figures intellectuelles : les poètes lyriques Simonide et Bacchylide, le sophiste Prodicos et le médecin Érasistrate. C'est également à cette période que l'on situe la sculpture du légendaire Lion.
Après l'époque romaine et byzantine, durant laquelle furent construites des églises comme Panagia Episkopi, l'île passa aux Vénitiens après la quatrième croisade (1204) et fut intégrée à la sphère du Duché de l'Archipel. Ioulida fut fortifiée d'un château médiéval bâti sur l'acropole antique, tandis que les raids de pirates marquaient la vie des côtes.
L'île passa ensuite sous l'Empire ottoman et développa dans les siècles suivants une solide tradition maritime et commerciale, grâce à sa proximité avec l'Attique. Elle fut intégrée à l'État grec après la Révolution de 1821, époque à laquelle furent également construits les bâtiments néoclassiques d'Ioulida. À l'époque moderne, Kéa, avec sa tradition agricole, ses forêts de chênes et ses sentiers, s'est imposée comme une destination prisée pour la randonnée et des vacances tranquilles près d'Athènes.