L'archipel aurait été découvert en 1500 par le navigateur portugais Gaspar de Lemos, commandant d'un des navires de la flotte de Pedro Álvares Cabral dans l'expédition qui découvrit le Brésil.

D'autres historiens pensent que c'est l'expédition de Gonçalo Coelho, financée par Fernão de Noronha, qui découvrit l'île le 24 juillet 1503[1]. Il obtient une concession de la part de la Couronne portugaise pour exploiter les ressources naturelles du Brésil pendant 3 ans et, en 1503, un contrat d'exploitation du pernambouc, un bois de valeur, utilisé en teinturerie. Ses associés et lui-même financent l'expédition de Gonçalo Coelho en 1503 qui découvre, une île au large du Brésil, baptisée São João da Quaresma. En 1506, Noronha et ses associés ont déjà importé plus de 20 000 quintaux de pernambouc, vendus à Lisbonne avec un bénéfice de 400 % à 500 %. Le roi Manuel Ier lui confie, en 1504, la première capitainerie du littoral du Brésil, São João da Quaresma, rebaptisée plus tard, ainsi que l'archipel, Fernando de Noronha en son honneur.

C'est à l'Italien Amerigo Vespucci, membre de cette expédition, que l'on doit la première description de l'archipel. Lorsque le capucin Claude d'Abbeville visite l'archipel en 1612, alors que Daniel de La Touche, seigneur de la Ravardière, et François de Razilly se rendent au Brésil pour y fonder une colonie, l'endroit semble inhabité, mais il y trouve cependant quelques Amérindiens et un Portugais. Dans son Histoire de la mission des pères capucins en l'Isle de Maragnan et terres circonvoisines publiée en 1614, Claude d'Abbeville ne tarit pas d'éloges sur la nature de l'archipel qu'il appelle Fernand de la Rongne.

Abandonné, il est occupé par les Hollandais au XVIIe siècle, puis, au siècle suivant par les Français qui l'ont renommé Île Delphine. L'archipel reste inscrit dans le domaine colonial français de 1705 à 1737.

En 1737, repris par les Portugais en raison de sa situation stratégique, l'archipel reprend sa désignation originelle et est rattaché à la capitainerie de Pernambouc.

Un fort y est construit, dont de nombreux vestiges sont encore visibles aujourd'hui.

L'archipel attire de nombreux scientifiques, dont Charles Darwin qui y effectue une visite en février 1832.

En 1938, il est cédé à l'União (le pouvoir fédéral), qui y construit une prison pour les détenus politiques. Lors de la Seconde Guerre mondiale, il est transformé en territoire fédéral militaire et une base militaire y est installée en collaboration avec la marine des États-Unis.

L'archipel est administré de 1942 à 1988 par les militaires.