Το νησί πρωτοκατοικήθηκε στα Προϊστορικά χρόνια.

Μεταξύ των κατοίκων του αναφέρονται οι Κάρες, οι οποίοι την ονόμασαν Πύρρα για το κόκκινο χρώμα της, και οι Μινωίτες.

Ο Ρωμαίος ποιητής Οβίδιος ισχυρίστηκε ότι το νησί βρέθηκε κάτω από την εξουσία του Μίνωα. Ο γεωγράφος Σκύμνος από την Χίο, που έζησε στα χρόνια του Μιθριδάτη Στ/του Ευπάτορα, κατέγραψε ότι η Αστυπάλαια εξελληνίστηκε από Μεγαρίτες αποίκους. Όμως, μια επιγραφή που βρέθηκε στο Ασκληπιείο της Επιδαύρου ισχυρίζεται ότι οι κάτοικοι ήταν παλαιοί άποικοι από την Επίδαυρο. Οι γλωσσολόγοι από την μεριά τους θεώρησαν ότι το γλωσσικό ιδίωμα που μιλιέται στην Αστυπάλαια ανήκει στην αργολική διάλεκτο.

Την Ελληνιστική Εποχή υπήρξε λιμάνι-σταθμός των Πτολεμαίων της Αιγύπτου. Ανέπτυξε μεγάλη ναυτική δραστηριότητα και έγινε γνωστή χάρη στα πλούσια αλιεύματα (“ιχθυόεσσα”) και τα άφθονα γεωργικά προϊόντα της. Για τα πολλά και μυροβόλα λουλούδια της και για τους καρπούς της οι αρχαίοι την αποκαλούσαν “Θεών Τράπεζα”. Την περίοδο της Ρωμαιοκρατίας τα λιμάνια του νησιού χρησιμοποιήθηκαν ως ορμητήρια κατά των πειρατών, γι αυτό οι Ρωμαίοι παραχώρησαν στους κατοίκους πολλά προνόμια.

Στους Βυζαντινούς χρόνους η έξαρση της πειρατείας άλλαξε την οικιστική δομή του νησιού, με την παρακμή των παράλιων οικισμών, τη μετακίνηση των πληθυσμών στο εσωτερικό και την ανέγερση κάστρων για προστασία. Μετά το 1204 περιήλθε στους Βενετούς και κυρίως στην οικογένεια Quirini – με εξαίρεση ένα μικρό διάστημα κατά το οποίο ανήκε στη Βυζαντινή Αυτοκρατορία (1269-1310).

Οι Quirini έμειναν κύριοι του νησιού μέχρι το 1537, όταν κατακτήθηκε από τους Τούρκους. Όπως όλα τα Δωδεκάνησα παρέμεινε στους Τούρκους έως το 1912 στη συνέχεια πέρασε στους Ιταλούς, Γερμανούς και Βρετανούς για να ενωθεί με την Ελλάδα το 1948.

Το νησί μέσα στο διάβα της ιστορίας ήταν γνωστό και ως Αστυπαλαία, Αστυπάλεια ή Αστυπαλία. Οι μεσαιωνικοί πορτολάνοι (ναυτικοί χάρτες) το κατέγραφαν με τον παραφθαρμένο τύπο Stampalia. Οι ντόπιοι το ονοματίζουν Αστουπαλιά και Αστροπαλιά.