Cô Tô có tên cổ là Chàng Sơn (Núi Chàng), từ lâu đời đã là nơi cư trú ngụ của thuyền bè ngư dân Vùng Đông Bắc, song chưa thành nơi định cư vì luôn bị những toán cướp biển Trung Quốc quấy phá. Đầu thời Nguyễn, một số dân cư Trung Quốc đánh bắt được những toán cướp biển và xin được nhập cư sinh sống.

Năm 1832, Nguyễn Công Trứ với cương vị Tổng Đốc Hải An (Hải Dương – An Quảng) đã xin triều đình cho thành lập làng xã, cắt cử người cai quản. Làng đầu tiên ở đây được Nguyễn Công Trứ đặt là làng Hướng Hoá. Ít lâu sau, nhà Nguyễn cho thu thuế và lập đồn Hướng Hoá canh phòng giặc biển. Dân cư đông dần, tất cả đều là người gốc nhiều dân tộc thiểu số ở vùng ven biển Quảng Đông, Phúc Kiến và đảo Hải Nam phiêu bạt đến.

Thời Pháp thuộc, Cô Tô là một tổng có năm xã (Đông giáp, Nam giáp, Tây giáp, Bắc giáp, Trung giáp) thuộc châu Hà Cối phủ Hải Đông tỉnh Hải Ninh. Năm 1945, ta chưa kịp lập chính quyền cách mạng thì quân Pháp đã quay lại chiếm đóng Cô Tô. Từ Cô Tô và cảng Vạn Hoa trên đảo Cái Bầu, tàu chiến Pháp vào quấy rối vùng biển Hòn Gai và Hải Phòng. Tháng 11-1946 Đại đội Ký Con giải phóng quân từ Hòn Gai dùng tàu chiến Le Creysac mới chiếm được của hải quân Pháp tiến ra giải phóng Cô Tô nhưng không thành công. Cho đến cuối năm 1955, thực hiện hiệp định Genève, quân Pháp mới rút, Cô Tô được giải phóng. Đầu năm 1954 ta thành lập chính quyền hai xã Thanh Lân, Cô Tô thuộc huyện Móng Cái – Sau đó là hai xã đặc biệt trực thuộc tỉnh, từ 16-7-1964 , hai xã được sáp nhập vào huyện Cẩm Phả.

Ngày 9-5-1961 Chủ tịch Hồ Chí Minh đã đến thăm Cô Tô, sau đó đây là nơi đầu tiên được dựng tượng toàn thân Hồ Chủ tịch khi Người còn sống. Nay bức tượng Hồ Chủ Tịch cao trên 5m được tôn tạo và giữ gìn đã trở thành một di tích lịch sử – văn hoá được liệt hạng.

Ngày 23-3 -1994, Chính phủ ra Nghị định 28 -CP đổi tên huyện Cẩm Phả thành huyện Vân Đồn đồng thời tách quần đảo Cô Tô gồm hai xã Thanh Lân, Cô Tô thành lập huyện Cô Tô. Sau một thời gian chuẩn bị, ngày 24-12-1994 trên đảo Cô Tô Lớn, lễ đón nhận Nghị định được cử hành trọng thể và huyện đảo Cô Tô chính thức ra đời.