Згідно з міфом, колись Делос був плавучим островом, що блукав по морях, поки Зевс не повелів Посейдонові закріпити його на місці, з тим щоб на ньому могла сховатися і звільнитися від тягаря Лєто, яка і народила тут, поблизу Священного озера, близнят Аполлона і Артеміду.

Виявлені при розкопках предмети, що відносяться до ранньої бронзової доби, показують, що люди з'явилися на Делосі в III тисячолітті до н. е. Можливо, ще в 10 столітті до н. е. Делос був колонізований іонійцямі, що перетворили його на центр культу Аполлона, де щорічно проводилися прекрасні іонійські святкування.

Епоха найбільшої величі Делоса припадає на 8 і 7 століття до н. е., коли він був релігійним і політичним центром союзу іонійських держав (Делоської амфіктіонії). Як столиця Делосського союзу, заснованого в 478—477 роках до н. е. під егідою Афін, острів став об'єднуючою ланкою грецької демократії і сховищем скарбниці союзу. Навіть після того, як в 454 році до н. е. скарбниця була перенесена до Афін і Делоській союз почав перетворюватися на Афінську архе, Делос зберіг своє релігійне значення.

Тиран Пісістрат, що правив в Афінах в другій половині 6 століття до н. е. прибрав всі поховання з тієї частини острова, яка була видна з боку храму. Людські останки разом із заупокійними дарами з могил були перенесені на ближній, крупніший острів Ренію (сучасна Рінія, іноді його називають Великими Делос) і поховані в загальній могилі, де у 20 столітті їх виявили археологи. Повторне «очищення» острова було зроблене афінянами в 426 році до н. е., і тоді ж був виданий закон, по якому на Делосі заборонялося народжувати і вмирати.

Відтепер великі іонійські торжества справлялися кожні п'ять років, малі — щорічно. Щороку особливий корабель зі священним посольством, що називався «феорія», відпливав з Афін до берегів Делоса. До повернення корабля заборонялося виконувати смертні вироки, і саме тому в 399 році до н. е. була відстрочена страта Сократа. Влада Афін над Делосом тривала до епохи Олександра Македонського. З 322 по 166 рік до н. е. Делос користувався незалежністю.

У 166 році до н. е. римляни повернули острів під владу Афін, а після руйнування римлянами Коринфа в 146 році до н. е. Делос на якийсь час перетворився на торговий центр Егейського моря. У 88 і 69 роки до н. е., в період Мітрідатових воєн, острів піддався розграбуванню, населення було частиною знищено, а частиною продано в рабство. Римлянам вдалося частково відновити Делос, але зміна торгових маршрутів привела до того, що до 2 століття н. е. острів був практично покинутий.