Kea è abitata fin dalla preistoria, come testimonia l'insediamento fortificato di Agia Irini, uno dei centri più importanti dell'Egeo durante l'Età del Bronzo (III–II millennio a.C.), con stretti legami con la Creta minoica e le Cicladi. Il suo santuario con gli idoli femminili in terracotta a grandezza naturale rimane unico nel panorama greco.
Nell'antichità l'isola era divisa in quattro città-stato — Ioulida, Karthaia, Korissia e Poiessa — che prosperarono e parteciparono alla Lega Attica. Kea diede i natali a grandi figure del pensiero: i poeti lirici Simonide e Bacchilide, il sofista Prodico e il medico Erasistrato. A questo periodo risale anche la scultura del leggendario Leone.
Dopo l'epoca romana e bizantina, durante la quale furono costruite chiese come Panagia Episkopi, l'isola passò ai Veneziani dopo la Quarta Crociata (1204) ed entrò nella sfera del Ducato dell'Egeo. Ioulida fu fortificata con un castello medievale sopra l'antica acropoli, mentre le incursioni dei pirati segnarono la vita sulle coste.
L'isola passò sotto l'Impero Ottomano e nei secoli successivi sviluppò una forte tradizione marittima e commerciale, grazie alla vicinanza con l'Attica. Fu incorporata nello stato greco dopo la Rivoluzione del 1821, quando furono costruiti anche gli edifici neoclassici di Ioulida. In epoca moderna Kea, con la sua tradizione agricola, i suoi boschi di querce e i suoi sentieri, è diventata una destinazione amata per il trekking e le vacanze tranquille vicino ad Atene.