Milos es una de las primeras islas Cícladas que fueron habitadas. Según la mitología griega el primer habitante de la isla era Milos, descendiente de familia real, que fue enviado a la isla por la diosa Afrodita.
Durante la Antigüedad Milos conoció un gran auge a causa de su riqueza mineral. Fue habitada ya desde el Neolítico (7000 a.C.) y muy rápido enriqueció por su piedra opsidiana, una roca negra y volcánica, muy dura, que los habitantes usaban para la fabricación de armas e instrumentos. Los habitantes habían desarrollado el comercio exterior, ya que la piedra opsidiana de Milos se ha encontrado también en Peloponisos, Creta, Cypros y hasta Egyptos.
Desde los principios de la edad de Bronce (2800 - 1100 a.C.) la isla desempeña un papel muy significativo en el mundo cíclada, con epicentro la ciudad de Filakopi, la que dio su nombre a una entera etapa arqueológica. Tras el descenso de las tribus griegas, los Dorios se establecieron en Milos alrededor el 1000 a.C. Al mismo periodo empieza a construirse una nueva ciudad en la zona del actual Klima.
Los habitantes de Milos se negaron a dar “tierra y agua” a los Persas y lucharon junto a los demás griegos en la Batalla de Salamina y en la Batalla de Platea. Pero los atenienses les destruyeron a su ciudad en 415 a.C. cuando ellos quisieron mantener la neutralidad en la guerra de Peloponeso.
Hasta el 311 a.C. Milos pertenece a Macedonia y después a Egypto. La libertad y la seguridad de los mares, gracias a la poderosa flota de los ptolemeos, dan la oportunidad a la isla para una nueva evolución económica, lo que contribuyó asimismo al auge de las artes. La famosa estatua de Afrodita (museo de Louvre) y el predominante Posidón, de 2,50 metros de altura (Museo Arqueológico de Atenas) constituyen representantes ejemplos de ese auge.
Durante el periodo romano, Milos se adorna con un teatro de mármol, en cuanto en el primer siglo aparece el cristinianismo. Se construyen las catacumbas, las más grandes en Grecia y de las más notables en nivel internacional.
En 1207, igual que las demás islas cícladas, pasó al dominio de los venecianos hasta el 1580 cuando los turcos conquistan a Milos y las islas del mar Egeo en general. En la misma época Milos se convierte en el punto de partida para los piratas, los que encuntran refugio en sus famosas cuevas. Milos fue una de las islas cícladas que lideró en la revolución griega. En 1832 se unió a Grecia.