Η Δονούσα είναι ένα από τα λίγα νησιά του Αιγαίου που έχει κρατήσει την αρχαία ονομασία της, Δονούσα ή Δενούσα. Στο παρελθόν είχε ονομαστεί διαφορετικά από τους κατακτητές της, όπως «Viriden» από τους Ρωμαίους πιθανότατα λόγω της πυκνής της βλάστησης και «Spinosa» από τους ξένους ναυτικούς του 18ου και του 19ου αιώνα.
Λόγω της θέσης της, υπήρξε εμπορικός σταθμός στους θαλάσσιους δρόμους του Αιγαίου. Κατοικείται από τον 9ο αιώνα π.Χ., σύμφωνα με ευρήματα που ανακαλύφθηκαν στον όρμο Λιμενάρι (ο όρμος αμέσως ανατολικά του Ο. Δένδρο).
Κατά την Ρωμαϊκή κατοχή, το νησί ήταν τόπος εξορίας, όπως και πολλά άλλα των Κυκλάδων.
Στα χρόνια του Α΄ Παγκόσμιου Πολέμου χρησιμοποιήθηκε από το γερμανικό καταδρομικό Γκαίμπεν ως ορμητήριο αλλά και καταφύγιο από τα συμμαχικά πλοία.
Στο μυχό του όρμου Δένδρο, σε βάθη περί τα 3μ, βρίσκονται τα συντρίμμια από το ναυάγιο του πολεμικού πλοίου «Ωρίων», το οποίο καταβυθίστηκε από την αγγλική Πολεμική Αεροπορία την 23η Σεπτεμβρίου του 1944.
