Milos fù una delle prime isole delle Cycladi ad abitarsi. Secondo la mitologia greca il primo abitante fù Milos, figlio di una famiglia reale che mandò Venere sull'isola.
Nell'antichità Milos fiorì per causa della sua richezza di minerali. Abitata già dall'epoca Neolitica (7000 a.C.) divenne ricca dal opsidianos lithos (roccia ossidiana), una roccia vulcanica di color nero, molto rigida che veniva usata per costruire armi e utensili. Gli abitanti esportassero opsidianos come dimostrano i reperti trovati a Peloponnese, a Creta, in Cipro e ancora in Egitto.
Dagli primi anni dell'età del rame (2800-1100 a.C.) l'isola giocò un ruolo molto importante nel mondo Cyclade con epicentro la città Filakopis che diede il suo nome in un intero periodo archelogico. Dopo l' arrivo delle etnie Elleniche, i Dori abitarono Milos circa il 1000 a.C. Nello stesso periodo venne costruita una nuova città al posto dove oggi sta Klima.
Gli abitanti di Milos negarono “la terra e l'acqua” ai Persiani e combatterono sul lato dei Greci alla battaglia navale di Salamina ed a Platees. L'isola venne distruta dagli Ateniesi (415 a.C.) quando i suoi abitanti negarono di partecipare alla guerra del Peloponnese.
Fino il 311 a.C. Milos fece parte della Macedonia e dopo dell'Egitto. La sicurezza e la liberta sul mare che offrisse la flotta dei Tolemei, diede la possibilità di uno sviluppo economico e di un fiorimento delle arti. La famosa statua di Venere (Museo di Louvre) e il dominante Poseidon, alta 2,50m. (Museo Arheologico di Atene) sono due esempi rappresentativi di quella fiorituta.
Nel periodo Romano a Milos venne costruito il teatro (fatto di marmo). Il primo secolo si presentò il Cristianesimo e vennero costruite le Katakomves (catacombe), le più grandi in Grecia e tra le più importanti al mondo.
Il 1207, come tutte le altre isole delle Cycladi, Milos passò nelle mani dei Veneziani fino il 1580 dove i Turchi dominarono sull'isola insieme al resto dell'Egeo. In tale periodo molti pirati utilizzassero le grotte di Milos come rifugio. Milos fù una delle isole delle Cycladi che partecipò intensamente alla rivoluzione Greca contro i Tutchi. Il 1832 venne unita con lo stato Greco.