В соответствии с мифологией Кея носила название «Идруса» («водная») благодаря обилию воды на острове и пышной растительности. Мифы повествуют о том, как нимфы, населявшие местные леса, покинули остров, и с тех пор Сириус, ярчайшая звезда небосвода, направил свои лучи не только на Идрусу, но и на все кикладские острова. Возникшая в связи с этим засуха заставила жителей обратиться за помощью к полубогу Аристею Фессалийскому, сыну Аполлона и нимфы Кирены.
Боги благосклонно приняли жертвы, принесенные Аристеем, и засуха смягчилась. С тех пор каждый год дуют северные ветры («мельтеми») в течение 40 дней, в период зенита созвездия Большого Пса, к которому относится и звезда Сириус.
Название острова происходит от имени героя Кея, сына Аполлона и нимфы Родоэссы, чье присутствие на острове обнаруживается в начале 11 века до н.э. Как свидетельствуют находки археологов в Кефале, остров Кея был населен с эпохи неолита. Следы жилищ доисторической эпохи обнаружены на полуострове Агияс Иринис и в деревне Вуркари.
В период с бронзового века и до конца микенской цивилизации поселение Агия Ирини оставило след в истории Эллады и в ранней Эгейской культуре. В 16 веке, когда поселение становится важным связующим пунктом между минойским и микенским миром, Агия Ирини превращается в значимый торговый и политический центр.
С приходом ионийцев в архаический период на острове были основаны города-полисы Иулида, Картея, Кориссос и Пииэсса, впоследствии ставшие экономическими и политическими центрами. Кея была известна своей политической системой, заинтересовавшей великого философа Аристотеля, который характеризовал общественное устройство Кеи как образцовое.
Законодатель Аристид, один из 7 великих мудрецов древности, был родом с Кеи и прославился на всю Грецию своими строгими законами. Один из них, так называемый «Закон Кеи» («ΚείοντοΝόμιμον») гласил следующее: гражданин должен умереть, как только духовные и физические силы его перестанут быть полезными для государства. Таким образом, все жители старше 70 лет кончали жизнь самоубийством, выпивая яд, полученный из растения мандрагора. Этот обычай был упразднен лишь в 3 веке с распространением христианства.
Со времени основания Византийского государства Кея была включена в состав Греции и оставалась под властью Восточной Римской империи. После римского завоевания прекратилась автономия 4 полисов Кеи, и единственным политическим центром стала Иулида.
В период властвования венецианцев на месте древнего акрополя Иулиды был построен замок. В период 1207 – 1566 гг. остров переходил от одной латинской династии к другой. Название Тзия имеет латинские корни, оно было присвоено острову в венецианский период.
В 1537 г. Кея перешла под власть Оттоманской империи. Остров пережил масштабные разрушения в период Русско-турецкой войны.
Жители Кеи приняли активное участие в освободительном движении 1821 года. Остров вошел в состав Греции в 1830 году.