Κατά την μυθολογία η Κέα ονομαζόταν «Υδρούσα» για τα πολλά νερά και την πυκνή βλάστησή της. Οι μύθοι λένε πως οι Νύμφες που ζούσαν στα δάση του νησιού εγκατέλειψαν το νησί και από τότε ο Σείριος, το λαμπερότερο αστέρι του ουράνιου θόλου κατάκαψε με τις ακτίνες του όχι μόνο την Υδρούσα αλλά όλες τις Κυκλάδες. Η μάστιγα της ξηρασίας ανάγκασε τους κατοίκους να ζητήσουν τη βοήθεια του ημίθεου Αρισταίου της Θεσσαλίας, γιο του Απόλλωνα και της Νύμφης Κυρήνης. Οι θεοί εξευμενίστηκαν με τις θυσίες που τους πρόσφερε ο Αρισταίος και η ξηρασία μειώθηκε. Από τότε και κάθε χρόνο πνέουν βόρειοι άνεμοι («μελτέμια»), επί 40 ημέρες, την περίοδο που λάμπει ο αστερισμός του Μεγάλος Κυνός στον οποίο ανήκει ο Σείριος.
Το νησί πήρε το όνομά του από τον ήρωα Κέω, γιο του Απόλλωνα και της νύμφης Ροδοέσσης η παρουσία του οποίου εντοπίζεται στο νησί στις αρχές του 11ου π.Χ. αιώνα. Όπως μαρτυρούν τα ευρήματα των ανασκαφών στη θέση Κεφάλα, η Κέα κατοικήθηκε από τη Νεολιθική Εποχή. Ίχνη κατοίκησης από την Προϊστορική Εποχή υπάρχουν στη χερσόνησο της Αγίας Ειρήνης καθώς και στο χωριό Βουρκάρι.
Από την εποχή του Χαλκού έως το τέλος των Μυκηναϊκών Χρόνων, ο οικισμός της Αγίας Ειρήνης, έβαλε τη σφραγίδα του στην ιστορία και τον πρώιμο πολιτισμό του Αιγαίου Πελάγους. Τον 16ο αιώνα, όταν ο οικισμός γίνεται κόμβος επικοινωνίας του Μινωικού με τον Μυκηναϊκό κόσμο, η Αγία Ειρήνη μετεξελίσσεται σε σπουδαίο εμπορικό και πολιτιστικό κέντρο.
Με τον ερχομό των Ιώνων, κατά τους Αρχαϊκούς χρόνους, ιδρύθηκαν οι πόλεις Ιουλίς, Καρθαία, Κορησσός και Ποιήεσσα οι οποίες γίνονται και αυτές οικονομικά και πολιτιστικά κέντρα. Η Κέα ήταν φημισμένη για το πολιτικό της σύστημα το οποίο απασχόλησε το μεγάλο φιλόσοφο Αριστοτέλη του οποίου το σύγγραμμα «Κείων Πολιτεία» αναφέρεται στην υποδειγματική κοινωνική οργάνωση της Κέας.
Ο νομοθέτης Αριστείδης, ένας από εφτά μεγάλους σοφούς της αρχαιότητας καταγόταν από την Κέα και υπήρξε περίφημος σε όλη την Ελλάδα για τους αυστηρούς και πρότυπους νόμους που θέσπισε. Ένας από τους νόμους αυτούς ήταν το «Κείον το Νόμιμον», σύμφωνα με τον οποίο, ο πολίτης έπρεπε να πεθαίνει από τη στιγμή που οι πνευματικές και σωματικές δυνάμεις του δεν ήταν ωφέλιμες στην πολιτεία. Έτσι, όσοι ξεπερνούσαν την ηλικία των 70 ετών «αυτεκωνειάζοντο», δηλαδή αυτοκτονούσαν πίνοντας κώνειο από το φυτό Μανδραγόρας. Το έθιμο αυτό σταμάτησε να υφίσταται κατά τον 3ο αιώνα π.Χ. με την επικράτηση του Χριστιανισμού.
Από την ίδρυση της Βυζαντινής αυτοκρατορίας, η Κέα περιελήφθη στην επαρχία της Ελλάδας και ήταν υπό την κυριαρχία του Ανατολικού Ρωμαϊκού κράτους. Κατά την περίοδο της Ρωμαϊκής κατάκτησης σταματά η αυτόνομη λειτουργία των τεσσάρων πόλεων του νησιού και η Ιουλίδα γίνεται το μοναδικό πολιτικό κέντρο του νησιού.
Επί Ενετοκρατίας κτίστηκε το κάστρο του νησιού στη θέση της ακρόπολης της αρχαίας Ιουλίδας. Επί της δυναστείας των Ιουστινιανών και των Ενετών (1207- 1566), η Κέα κατακτήθηκε αλληλοδιαδόχως από διάφορους Λατίνους δυνάστες.
Η ονομασία «Τζιά» είναι λατινικής προέλευσης και το νησί την απέκτησε κατά την Ενετοκρατία, την οποία διαδέχτηκε η Οθωμανική κυριαρχία. Το 1537 οι Τούρκοι κατέλαβαν την Κέα. Το νησί υπέστη μεγάλες καταστροφές κατά την περίοδο του Ρωσσοτουρκικού πολέμου.
Στην επανάσταση του 1821, η Κέα πήρε ενεργό μέρος στον απελευθερωτικό αγώνα και ενσωματώθηκε στην Ελλάδα το 1830.