Κατά το μεγαλύτερο μέρος της ιστορίας του, το νησί της Θύμαινας ήταν ακατοίκητο ή λημέρι πειρατών. Στην αρχαιότητα ίσως να κατοικήθηκε κατά την ελληνιστική και τη ρωμαϊκή εποχή, παράλληλα με τους γειτονικούς Φούρνους. Στη σύγχρονη εποχή η κατοίκηση της Θύμαινας ξεκινά μετά τα μέσα του 18ου αιώνα.
Στην αρχαία και μεσαιωνική γραμματεία διασώζονται επιγραμματικές αναφορές για την Θύμαινα, κυρίως σε έργα γεωγραφικού ενδιαφέροντος, όπως θαλασσοπορικούς χάρτες, όπου απλά επισημαίνεται η θέση του νησιού και μια παραλλαγή του ονόματος του νησιού, που τα παλιότερα χρόνια λεγόταν και Φύμαινα.
Από την περίοδο της ύστερης Τουρκοκρατίας (2ο μισό του 18ου αιώνα) κι έπειτα, διασώζεται προφορική παράδοση κι αρχειακό υλικό που μαρτυρεί ότι η Θύμαινα κατοικήθηκε εκ νέου, αρχικά από Πάτμιους και Δωδεκανήσιους, στους οποίους πολύ γρήγορα προστέθηκαν νέοι κάτοικοι από Ικαρία, Σάμο, Κυκλάδες, Μικρά Ασία, Κρήτη και ηπειρωτική Ελλάδα.
Η Θύμαινα δεν έχει κάποιον γνωστό χερσαίο αρχαιολογικό χώρο. Κάτω απο την επιφάνεια της θάλασσας όμως κρύβει αρκετά αρχαία ναυάγια τα οποία ήρθαν στο φως ύστερα απο υποβρύχια έρευνα της Εφορείας Εναλίων
Αρχαιοτήτων του Υπουργειου Πολιτισμού το 2015 και συνεχίζεται εως και σήμερα.