La presenza umana nell'arcipelago risulta sin dalla notte dei tempi. Le genti preistoriche vennero infatti sicuramente attratte dalla presenza di grandi quantità di ossidiana, minerale di origine vulcanica grazie al quale le Eolie furono al centro di fiorenti rotte commerciali sin dai tempi di Roma antica. I primi insediamenti si ebbero già alcuni secoli prima del 4000 a.C., nell'età neolitica. L'ossidiana, che a quei tempi era un materiale ricercatissimo grazie al fatto di essere il più tagliente di cui l'uomo dell'epoca disponeva, generò traffici commerciali così intensi da conferire grande prosperità alle isole. Da Lipari era esportata in gran quantità verso la Sicilia, l'Italia meridionale, la Liguria, la Provenza e la Dalmazia. A Lipari nacque così uno degli insediamenti più popolosi del Mediterraneo, e a partire dal 3000 a.C. la ricchezza di Lipari si estese alle altre sei isole, che cominciarono ad essere popolate. Tra il XVI e il XIV secolo a.C. divennero importanti perché poste sulla rotta commerciale dei metalli, in particolare lo stagno che giungeva via mare dai lontani empori della Britannia e transitava per lo stretto di Messina verso oriente. Mentre in Sicilia si afferma la Cultura di Castelluccio, a Capo Graziano, nell'isola di Filicudi ma anche a Lipari si diffonde la cosiddetta Cultura Eoliana caratterizzata dal commercio più che dall'agricoltura, con le sue capanne circolari con pareti di pietre a secco, quasi a strapiombo sul mare e una propria ceramica. Le isole furono colonizzate dai Greci, intorno al 580 a.C., che chiamarono le isole Eolie poiché ritenevano che fossero la dimora del dio dei venti, Eolo, un mito questo destinato ad affermarne la "grecità" .

Nel 260 furono teatro della battaglia di Lipari tra Roma e Cartagine. In epoca romana divennero centri di commercio dello zolfo, dell'allume e del sale.

Lo storico biblico Giuseppe Flavio menziona una popolazione forse in relazione con le Eolie: "Elisa diede il nome agli Eliseani ed essi sono ora gli Aeoliani". Elisa si riferisce al nipote di Iafet, figlio di Noè.

Nel 1544, quando la Spagna dichiarò guerra alla Francia, il re francese Francesco I chiese aiuto al sultano ottomano Solimano il Magnifico. Questo mandò una flotta comandata da Khayr al-Din Barbarossa che fece rotta sulle isole Eolie e le attaccò uccidendo e deportando i suoi abitanti. Secondo il suo disegno le Eolie avrebbero dovuto essere l'avamposto dal quale attaccare Napoli.

Nel corso dei secoli l'arcipelago venne ripopolato di nuovo da comunità spagnole, siciliane e del resto d'Italia. In epoca borbonica l'isola di Vulcano veniva usata come colonia penale per l'estrazione coatta di allume e zolfo.