Osmussaart ehk rootsi keeles Odensholmi on kirjalikes allikates mainitud juba 13. sajandil ning tema nime seostatakse viikingite jumala Odeniga. Saare nime ja viikingite jumala seose kohta levib mitu legendi – esimese järgi olevat saar saanud oma nime Odeni-nimelise rändrahnu järgi, mida peeti isegi Odeni hauakiviks; teise pärimuse kohaselt olevad Oden Põõsapea (Spithamn) neemelt astudes tühendanud oma kingast liiva. Mis see õigem legend Osmussaare ehk rannarootslaste saare kohta on, teab vaid ajalugu.
Vanadele kirjutistele tuginedes olid ka saare püsielanikud rahvuselt rootslased, keda nimetati esmakordselt 1436. aastal. 16. Sajandi alguses asus saarel arvatavasti viis talu, mille elanikud olid pärimuse järgi tulnud Stockholmi saarestikust. Erinevate epideemiate tulemusel on saar olnud aga mitmeid kordi laastatud ning nende tulemusel on uusi asukaid saarele tulnud mitmelt poolt. Eriti rängalt mõjus kohalikele 1710-1711. aasta katk, mille tulemusel suri saarel üle 60 inimese. Ellu jäi nendest vaid viis, kelle järglased elavad tänapäevani Rootsis.
Enne Teist maailmasõda oli Osmussaar asustatud rannarootslastega, kellest enamik sõja eest Rootsi põgenes. Endiste osmussaarlaste järeltulijaid enam saarel ei ole, küll aga külastavad nad Osmussaart vähemalt korra suve jooksul. Paljud neist soovivad tänini osaleda nii saare tuleviku kavandamises, võttes ette erinevaid ühisprojekte – nii paigaldasid osmussaarlased näiteks 90ndate alguses saare perekondadele mälestuskivid, piiritlesid surnuaia ja ehitasid väikese kellatorni.
Teise maailmasõja ajal saar militariseeriti, kohalikud elanikud sunniti lahkuma ja rajati rannakaitsepatareid. Kogu okupatsiooniaja oli saar tsiviilelanikele keelutsoon nagu enamus Eesti rannikust ning hinnanguliselt paigutati saarele ligi 800 meest. Osmussaar jäi nõukoguda armee kätte 1941. aasta detsembrini ning Saksa okupatsiooni ajal, 1942. aasta kevadel said allesjäänud osmussaarlased loa saarele tagasi pöörduda. Palju oli selle aja jooksul muutunud – kadunud oli Odeni kivi ning suurem osa ehitistest oli varemeis, sh kabel ja kellatorn.
Kaitserajatiste betoonina oli kasutatud ka saare kiviaedu, lubjakivist ehitisi ja teisi rändrahne. Pärast sõda asus Osmussaarel vaid piirivalveüksus ning endised osmussaarlased said alles 1990. aastate algul võimaluse saart taas külastada.
Nõukogude sõjaväe viimased esindajad lahkusid saarelt 1993. aastal, pärast mida viidi saarel läbi keskkonnauuringud ja õnneks suurt keskkonnaohtu ei avastatud. Küll aga võis siis saarelt leida palju ohtlike mürske, millest enamik demineeriti. Sellele vaatamata võib erinevaid lõhkekehi, nii ohutuid kui ohtlikke, leida saarel tänini.
1996. aastal moodustati Osmussaarele maastikukaitseala, et säilitada sealne elus ja eluta looduse kooslus ning endistele osmussaarlastele maid tagasi ei antud. Täna kuulub kogu saar Eesti riigile ja seda valdab keskkonnaministeerium, vähesel määral ka siseministeerium. Saar taasasustati 2001. aastal, mil saarele perekond, kes hakkas tegelema lambakasvatusega.
Täna elab Osmussaarel kokku 5 inimest. Lisaks nendele ja saarel vabalt ringi liikuvatele lammastele võib siin-seal kohata ka šoti mägiveiseid, kes kõik tegelevad aktiivselt saare pärandmaastike hooldamisega.