Rond 1000 v.Chr. vestigde zich Ioniërs op Samos, die de vóór-Griekse bevolking verdrongen. De Ioniërs brachten Samos tot grote bloei. Het eiland werd een belangrijk economisch en cultureel centrum en had een belangrijk aandeel in de Griekse kolonisatie. Onder de tyran Polycrates (ca. 540 v.Chr.-521 v.Chr.) bereikte Samos een hoogtepunt, o.a. vanwege de grote publieke werken en zeemacht die hij tot stand bracht. Het lukt Sparta en Korinthe niet om een einde te maken aan zijn bewind. De Perzen wisten Polycrates wel ten val te brengen en stelde zijn broer Syloson er als satraap aan. Na de Perzische oorlogen wist Samos zich in 479 v.Chr. na de slag bij Mycale weer los te maken van de Perzen en vond het eiland aansluiting bij de Delische Bond als niet-belastingplichtig lid. Een poging zich los te maken van de Bond leiden tot de Samische oorlog (441 v.C.-439 v.Chr.) tegen Athene, die Samos verloor. Daarna bleef Samos Athene tot het einde van de Peloponnesische oorlog (404 v.Chr.) trouw. In 365 v.Chr. lukte het de Atheense admiraal Timotheus om het intussen in 387 v.Chr. weer onder Perzische invloed geraakte Samos te veroveren. Hij vestigde er een gemeenschap van 2000 Atheense klèrouchoi, die in 322 v.Chr. op last van de Macedonische diadochenkoning Perdiccas het eiland weer moest verlaten. In de hellenistische periode was Samos tot 197 v.Chr. een steunpunten voor de Ptolemaeën. In 132 v.Chr. werd Samos Romeins.

De Griekse wiskundige en filosoof Pythagoras, bekend van de stelling van Pythagoras (a2+b2=c2), werd op dit eiland geboren. De stad Pythagorio, die in het zuidoosten van het eiland aan de kust ligt, is sinds 1955 naar hem genoemd. Hier staat ook een beeld van Pythagoras, dat door Nikolaos Ikaris in 1989 is gemaakt.

Op diverse plaatsen van dit eiland werd in de oudheid de godin Hera vereerd. Dit was een godin van de vruchtbaarheid. Al voordat de Myceners zich hier vestigden, bestond er waarschijnlijk al een dergelijke cultus op dit eiland. Ten westen van Pythagorio bevindt zich een heiligdom van Hera.

In de Klassieke Oudheid stond het eiland ook bekend om het rode aardewerk dat hier geproduceerd werd.

Het eiland maakte achtereenvolgens deel uit van het Perzische Rijk, het Helleense Rijk, het Romeinse Rijk, het Byzantijnse Rijk, De Republiek Venetië en het Ottomaanse Rijk, waarna het deel ging uitmaken van Griekenland in 1912.