Pesquisas arqueológicas realizadas desde o final da década de 1990 mostram que pelo menos quatro das ilhas do arquipélago de Ilhabela foram habitadas muito antes da chegada dos europeus ao Brasil. Isso foi possível graças à descoberta de sítios arqueológicos pré-coloniais denominados "concheiros", "abrigos sob rocha" e "aldeias indígenas". Os "concheiros" permitiram aos arqueólogos concluírem que os primeiros habitantes do arquipélago foram os chamados "homens pescadores-coletores do litoral", indígenas que não dominavam a agricultura e nem a produção de cerâmica, sobrevivendo apenas do que encontravam na natureza, especialmente animais marinhos. Não existe ainda a datação de nenhum desses "concheiros". Também foi encontrada na Ilha de São Sebastião grande quantidade de cerâmica indígena da tradição Itararé, possivelmente produzida por indígenas do tronco lingüístico macro-jê. Não há, até o momento, nenhuma evidência arqueológica de que tenha existido no arquipélago alguma aldeia do tronco lingüístico tupi.
Em 20 de janeiro de 1502 a primeira expedição exploradora enviada ao Brasil pelos portugueses, comandada pelo navegador português Gonçalo Coelho e trazendo a bordo o cosmógrafo italiano Américo Vespúcio, encontrou uma grande ilha que, segundo o aventureiro alemão Hans Staden, era chamada pelos tupis de Maembipe ("lugar de troca de mercadorias e resgate de prisioneiros"). Essa ilha, assim como fora feito em outros acidentes geográficos importantes, foi batizada pelos membros da expedição com o nome do santo do dia, São Sebastião.
Com a chegada do português Francisco de Escobar Ortiz sendo o primeiro povoador da ilha de S. Sebastião, onde obteve de Pero Lopes de Sousa, donatário da capitania, cem léguas de terra para si e sua nobre geração e de sua mulher Ignez de Oliveira Cotrim, que ambos vieram da capitania do Espírito Santo para a ilha de S. Sebastião. Ignez de Oliveira Cotrim era bisavó do Capitão Bartolomeu Pais de Abreu, de João Leite da Silva Ortiz e de sua neta de mesmo nome Ignez de Oliveira Contrim casada com Antonio de Faria Sodré irmão do Padre João de Faria Fialho. Segundo escreveu Pedro Taques, foi Francisco de Escobar Ortiz senhor de dois engenhos de açúcar, os primeiros na ilha.
Em 1608 chegariam outros sesmeiros que viriam a se estabelecer em ambas as margens do Canal de São Sebastião. Em 16 de março de 1636 seria criada a Vila de São Sebastião, que se desmembrou político-administrativamente da Vila do Porto de Santos. A nova Vila abrangeu também o território da Ilha de São Sebastião.
No começo do século XIX, quando a Ilha de São Sebastião contava com cerca de três mil habitantes e seu principal povoado chamava-se Capela de Nossa Senhora D'ajuda e Bom Sucesso. Nessa época foi iniciado um movimento por emancipação da Ilha de São Sebastião da Vila de São Sebastião, liderado pelo capitão Julião de Moura Negrão, pelo Alferes José Garcia Veiga e pelo senhor de engenho Carlos Gomes Pereira. Sensibilizado, o capitão-general (cargo equivalente, nos dias de hoje, ao de governador) Antônio José da Franca e Horta baixou, em 3 de setembro de 1805 a portaria elevando a antiga Capela de Nossa Senhora D'ajuda e Bom Sucesso à condição de Vila. Por indicação do próprio Franca e Horta, a nova vila seria denominada Vila Bela da Princesa, em homenagem à Princesa da Beira, a Infanta Dona Maria Teresa Francisca de Assis Carlota Joana Josefa Xavier de Paula Micaela Rafaela Isabel Gonzaga de Bragança, filha mais velha de D. João VI e D. Carlota Joaquina, irmã de D. Pedro I. Vila Bela da Princesa foi oficialmente instalada à 23 de janeiro de 1806.
Em 21 de maio de 1934, o governo paulista realizou, em meio a grave crise econômica pela qual atravessava o país, uma reestruturação na divisão territorial do Estado, quando extinguiu 18 pequenos municípios, entre eles o de Vila Bela da Princesa (cujo nome já havia mudado para Vila Bela), que voltou a integrar o território da Vila de São Sebastião. A extinção do município foi revogada em 5 de dezembro de 1934. Por imposição do governo ditatorial de Getúlio Vargas que baixou o decreto federal nº 2140, o nome de Vila Bela mudou, a partir de 1º de janeiro de 1939, para Formosa. Inconformados, os moradores iniciaram um movimento popular contra o novo nome até que, em 30 de novembro de 1944, o governo estadual baixou o decreto nº 14334, mudando o nome do município, a partir de 1º de janeiro de 1945, para Ilhabela.