Iliri
Mljet ima dugu i bogatu povijest koja seže u drugo tisućljeće prije Krista, kada su se ovdje naselili Iliri iz plemena Ardijejaca. Materijalni ostaci Ilira govore o njihovom načinu života, međusobnim sukobima, kao i obrambenim strategijama (podizanje gradina). Gradine, kao i ilirski grobovi (gomile), otkrivaju da je ilirsko stanovništvo bilo naseljeno i na području Nacionalnog park Mljet.
Antički period:
Grci
Iako nisu pronađeni ostaci građevina iz grčkog doba, ne isključuje se mogućnost da su Grci bili nastanjeni na otoku. Mljet se prvi puta spominje u 4. st. prije Krista, u djelu Periplus Pesudo Skilaksa, iz kojeg je vidljivo da su se grčki brodovi na putu do Korkire, Melaine, Isse, Pharosa, itd. ovdje zaustavljali radi izvora pitke vode. Olupine brodova, amfore i drugi predmeti iz tog doba u moru oko Mljeta svjedoče o grčkoj prisutnosti na otoku.
Rimljani
U djelu De rebus Illiricus iz 35. g. pr. Krista, Appian spominje zauzimanje ilirskog grada Melituse, kako bi se zaustavile ilirske pljačke rimskih brodova koji su ovuda plovili. Rimljani preuzimaju vlast na otoku, gdje grade treću najveću palaču na Jadranu (iza Arene u Puli i Dioklecijanove palače u Splitu), kao i prateće građevine: bazilike, terme, arsenale, pa i brodogradilište. Brojni rimski ostaci razasuti po cijelom otoku govore o gustoj naseljenosti otoka za vrijeme vladavine Rimljana i otkrivaju da se stanovništvo bavilo zemljoradnjom i stočarstvom.
Srednji vijek:
Benediktinci
Krajem 8. st. počinju provale Neretljana na otok Mljet, kada i zauzimaju istočni i središnji dio, da bi se krajem 10. st. sukobili s Rimljanima i sasvim ih potisnuli s otoka. Mljet tako postaje dio države Zahumlje, a 1151. godine po nalogu pape poklanja se benediktinskom redu iz pokrajine Apulija u Italiji. Benediktinci grade samostan i crkvu Uzašašća Blažene Djevice na otočiću u Velikom jezeru i uspostavljaju feudalnu vlast. Njihova uloga u razvoju pismenosti na otoku je od ključne važnosti, a knjižnica samostana Sv. Marije bila je jedna od najbogatijih u dalmatinskim benediktinskim opatijama.
Dubrovačka republika
Kako su feudalni nameti bili teški otočanima, učestale su pobune, pa se umiješala Dubrovačka republika. Tako je u 14. st. donešen Mljetski statut prema kojemu su službe i daće prema opatiji bile regulirane, a krajem 15. st. otok dobiva i svojeg kneza za kojega je bila izgrađena renesansna palača ispod Babinog Polja (Palac).
19. stoljeće:
Napoleon i Austro-Ugarska
Godine 1806. francuska je vojska okupirala Dubrovačku Republiku, a dvije godine kasnije ukinut je samostan Sv. Marije. Nakon Napoleonovog pada, zbog sprječavanja pustošenja crkvenih dobara, vlast je preuzela Engleska i nakon vrlo kratko vremena prepustila ga Austriji. Dolaskom Austro-Ugarske, na otoku je došlo do većih pomaka u razvoju infrastrukture i poboljšanja kvalitete života. Isto tako, problem koji je predstavljao veliki broj zmija otrovnica riješen je kada su iz Beča donijeli 12 mungosa, koji su otok potpuno oslobodili od ove velike opasnosti. Za vrijeme Austro-Ugarske pokrenut je i projekt zaštite mljetskih jezera, organizama i šume pod nazivom Naturschutzpark Meleda.
20. stoljeće:
Nakon Prvog svjetskog rata, Mljet okupiraju Talijani, no ubrzo je otok pripojen Kraljevini SHS. U Drugom svjetskom ratu, Talijani nakratko okupiraju otok do svoje kapitulacije, kada nakon isto tako kratke njemačke okupacije, postaje dio Jugoslavije i na kraju Hrvatske.
U novijoj povijesti, 1960. dio otoka proglašen je nacionalnim parkom, što je podrazumijevalo i status zaštite prirodne i kulturne baštine, a samostanski kompleks je prenamijenjen u hotel. Početkom Domovinskog rata 1990. hotel prestaje s radom da bi osam godina kasnije bio vraćen Biskupiji dubrovačkoj. U tijeku je obnova cijelog kompleksa, uz arheološka istraživanja, posebno onih i razdoblja Rima.