Bali szigetét már a prehisztorikus időktől kezdve lakták. Első lakói az Ázsia felől az indonéz szigetvilág felé vándorló törzsek leszármazottai voltak, akik mai ismereteink szerint i. e. 30. század körül telepedtek le a szigeten. Ebből az időből származó kőeszközöket találtak Cekik település közelében, a sziget nyugati részén.

A prehisztorikus idők végét az India felől érkező hinduk érkezése jelentette, mely a cserépedény-darabokon talált Brahmi feliratok szerint i. e. 100 körül történt. Találtak továbbá 9. századból származó feliratokat, melyeken a Balidwipa (Bali szigete) kifejezés volt található. Ebben az időben fejlesztették ki a rizs öntözésére szolgáló bonyolult öntözőrendszereket (ún. subak). Számos ma is létező vallási és kulturális hagyomány visszavezethető erre az időre. A kelet-jávai Majapahit Birodalom (1293–1520) Bali szigetén kolóniát alapított 1343-ban. A birodalom hanyatlásával a 15. században Jáváról tömegesen vándoroltak át a birodalom szellemi vezetői, művészek, papok és zenészek Bali szigetére.

Az első európai, aki Balival kapcsolatba lépett, a holland Cornelis de Houtman lehetett 1597-ben, bár egy portugál hajó már 1585-ben zátonyra futott Bukit partjainál. Ezután érkezett el a holland uralom ideje, bár a hollandok sosem voltak képesek olyan stabil hatalmat kiépíteni maguknak, mint ahogy azt tették Indonézia egyéb részein, például Jáván vagy Malukun. Az 1840-es években először a sziget északi részén vetették meg lábukat azáltal, hogy az egymással szemben bizalmatlan bali csoportokat egymás ellen kijátszották. A hollandok hatalmas vízi és szárazföldi támadást intéztek a Sanur régió majd Denpasar ellen. A bali őslakókhoz képest a hollandok mind a létszámot, mind a felszerelést tekintve túlerőben voltak. A bali csapatok a megadás szégyene helyett egy végső öngyilkos támadás (puputan) indítása mellett döntöttek. A hollandok megadásra felszólító kérései ellenére mintegy 4000 harcos menetelt a halálba a betolakodók elleni harcban. Ezután a holland kormányzók kevéssé szóltak bele a sziget életébe, általában hagyták, hogy a vallás és kultúra dolgában a helyi ellenőrzés érvényesüljön.

Japán a második világháború alatt elfoglalta a szigetet. Ebben az időben alapította meg egy bali tiszt, Gusti Ngurah Rai a Bali „szabadságharcos” csapatot. A japánok 1945. augusztusi kapitulációját követően a hollandok azonnal visszatértek Indonéziába és így Balira is, hogy a háború előtti gyarmati közigazgatást azonnal visszaállítsák. Ezt a bali lázadók a japán fegyvereket használva próbálták megakadályozni.

1946. november 20-án vívták meg a margai csatát, a sziget középső részén található Tabanan mellett. A 29 éves Gusti Ngurah Rai ezredes a csapatait Marga Ranánál vonta össze, ahol az erősen felfegyverzett holland csapatokkal szemben öngyilkos támadást indítottak. A teljes balinéz haderőt megsemmisítették, és a balinéz katonai ellenállás megtört. A bali repülőtér neve a margai csatát irányító vezető emlékére ma Ngurah Rai nevét viseli.

1946-ban a hollandok kikiáltották Kelet-indonéziai Köztársaságot, a Sukarno és Hatta által kikiáltott és vezetett Indonéz Köztársaság riválisaként. Bali ennek a Kelet-indonéziai Köztársaságnak a része lett a 13 közigazgatási terület egyikeként. Hollandia csak 1949. december 29-én ismerte el Indonézia függetlenségét, ekkor Bali az Indonéz Egyesült Államok Köztársasága nevű állam része lett. Bali 1956-ban hivatalosan is felmondta ezt a holland uniót, és jogilag is az Indonéz Köztársaság része lett.

A Gunung Agung 1963-as kitörése ezreket pusztított el gazdasági káoszt okozva. Számos földönfutóvá vált bali lakos volt kénytelen Indonézia más részére költözni.

Az 1965-ös sikertelen jakartai puccs után Balin, akárcsak Indonézia más részein a jobboldali Suharto tábornok által támogatott seregek számtalan gyilkosságot követtek el az Indonéz Kommunista Párt (PKI) valós és vélt tagjai és szimpatizánsai ellen. A pontos számok mai napig nem állnak rendelkezésre, de több mint 100 000 ember esett áldozatul ezeknek a gyilkosságoknak. Számos ismert, de jelöletlen tömegsír található a szigeten.

2002. október 12-én egy autóba rejtett pokolgép robbanása 202 embert ölt meg és további 209 embert sebesített meg a Kuta nevű népszerű üdülőhelyen. Az áldozatok nagyobb része külföldi turista volt. 3 évvel később újabb bombatámadás történ Kutában és a közeli Jimbaran-öbölben.