Τα πρώτα ίχνη κατοίκησης του νησιού ανήκουν στην 3η χιλιετία π.Χ., και βρέθηκαν στις θέσεις Αχτιά των Αγριλιών και Μύτη του Τράχυλα.
Πρόκειται για δύο μικρές κοινότητες ενταγμένες στον ευρύ πολιτιστικό ορίζοντα του Πρωτοκυκλαδικού πολιτισμού, που στηρίζονταν στην κτηνοτροφία και την αλιεία.
Η μεγάλη ακμή του νησιού ωστόσο, χρονολογείται στα Γεωμετρικά χρόνια (10ος έως 7ος αι.π.Χ.), περίοδο κατά την οποία το νησί αποτελούσε σημαντικό αγκυροβόλιο στο κεντρικό Αιγαίο και χώρο διακίνησης εμπορευμάτων από την κυρίως Ελλάδα προς τα Δωδεκάνησα και τις Δυτικές Μικρασιατικές ακτές. Εμπορικός σταθμός αυτής της περιόδου υπήρξε και ο οχυρωμένος οικισμός που βρέθηκε στη θέση Βαθύ Λιμενάρι, στα ΝΑ του νησιού, πολύ κοντά στη Μύτη του Τράχυλα.
Τα σημαντικά ευρήματα του, δείχνουν μεγαλύτερη επιρροή από τα Δωδεκάνησα παρά από τις Κυκλάδες, και περιλαμβάνουν μεγάλη ποικιλία κεραμικών που σήμερα φυλάσσεται στο Αρχαιολογικό Μουσείο της Νάξου.
Παρά την οχύρωση του όμως, φαίνεται ότι ο οικισμός αυτός εγκαταλείφθηκε σχετικά γρήγορα από τους ναυτικούς για άλλο καλύτερο σημείο επάνω στον ίδιο θαλάσσιο δρόμο, ίσως στις δυτικές ακτές της Άνδρου.
Στο δεύτερο μισό του 1ου π.Χ. αιώνα, οι Ρωμαίοι παραχώρησαν τη Δονούσα στους Ρόδιους που τη χρησιμοποίησαν σαν ναυτικό αγκυροβόλι, ενώ στην περίοδο του Μεσαίωνα και της Οθωμανικής κυριαρχίας χρησιμοποιήθηκε σαν πειρατικό καταφύγιο.
Γενικότερα ήταν γνωστή για την θέση της επάνω σε θαλάσσιους δρόμους, αναφέρεται δε και από τον Βιργίλιο σαν σταθμός στην πορεία του Αινεία από την Τροία στην Ιταλία.
Η Δονούσα γίνεται γνωστή στα Ελληνικά πολιτικά δρώμενα όταν την επισκέπτεται ο βασιλιάς Γεώργιος Α΄, και οι κάτοικοι της μαθαίνουν για πρώτη φορά για την έξωση του Όθωνα, γεγονός που είχε συμβεί 14 χρόνια νωρίτερα.
Αργότερα στη διάρκεια του Α΄ Παγκόσμιου Πολέμου, γίνεται σταθμός εφοδιασμού με κάρβουνο των Γερμανικών θωρηκτών Γκαίμπεν και Μπρεσλάου στο Ακρωτήρι Άσπρος Κάβος, ενώ κατά το τέλος του Β΄ Παγκοσμίου Πολέμου οι Άγγλοι σύμμαχοι βομβαρδίζουν και βυθίζουν γερμανικό πλοίο χωρητικότητας 2,500 τόνων στην παραλία του Κέδρου. Απομεινάρια του γερμανικού ναυαγίου είναι ορατά στο βυθό της θάλασσας μέχρι σήμερα.
Στο πλαίσιο της κατοχής των ελληνικών εδαφών από τις δυνάμεις του Άξονα, το νησί εντάχθηκε αρχικά στην ιταλική διοίκηση. Μετά τη συνθηκολόγηση της Ιταλίας το 1943, περιήλθε σε γερμανική κατοχή μέχρι την απελευθέρωση του το 1944.
Διοικητικά η Δονούσα μέχρι το 1945, ανήκε στην Κοινότητα Αιγιάλης Αμοργού. Στη συνέχεια αποτέλεσε ανεξάρτητη Κοινότητα έως και το 2010, ενώ από το 2011 μέχρι και σήμερα, σύμφωνα με το πρόγραμμα «Καλλικράτης», αποτελεί Δημοτική Κοινότητα Δήμου Νάξου και Μικρών Κυκλάδων.
