Die erste Silbe kann viele Bedeutungen haben. Zum einen ist es möglich, dass es auf den Eigennamen Pille oder Pilla zurück geht. In dem Fall würde die Insel vermutlich übersetzt Pillas Wasserland heißen. Wenn man sich die anderen Sprachen derer sich die Insel im Laufe der Zeit bedient hat anschaut, sind aber auch die friesischen Wörter peal (peilen) oder pule (Pfahl als Seezeichen an einem Strand) oder das anglische und altnordische belt (Gürtel, Meerenge) oder das anglische pól (Pfuhl, Sumpf) denkbar. Dann könnte die Bedeutung des Inselnamens auch Peilanhöhe, Land am Wassergürtel oder vom Wasser umgebener Sumpf sein. In der Volksetymologie steht der Inselname jedoch mit einer Frau Pelle und ihrer Tochter Worm im Zusammenhang.
Geographisch gehörten heute die zwei Halligen Süderoog und Südfall mit zu Pellworm.
Die frühzeitliche Geschichte der Insel ist ungesichert. Während ein Ethnologe die Theorie vertritt, dass unmittelbar südlich von Pellworm in der Antike ein wichtiger griechischer Handelsposten war, lehnen andere Forscher diese Annahme überwiegend ab.
Im 8. und 9. Jahrhundert werden zwölf Flachsiedlungen auf der Insel vermutet. Weitere Spuren lassen eine weitere westlich von Hooge vermuten. Aber diese Siedlungen wurden bisher nur sehr oberflächlich erforscht und lassen nur wenige Rückschlüsse zu. Zwischen 1000 und 1100 scheint es eine größere Katastrophe gegeben zu haben. In dieser Zeit muss die See durch den Dünnwall im Westen durchgebrochen sein. Dies war die Geburtsstunde des Nordhever Meeresarmes. Von nun an lag Pellworm im Einflussbereich der Gezeiten, bisher war das Gebiet eher Binnenland ähnlich. Durch diese Änderung wurde das Trinkwasser knapp, Weideflächen und Äcker waren von Salzwasser bedroht und die Vegetation veränderte sich.
Der Chronist Saxo Grammaticus berichtete, dass 1170 das Land weitgehend eingedeicht sei und bezeichnete es als “Klein-Friesland”. Zahlreiche Bauerngehöfte der Uthlande entstehen auf den entstandenen Hügeln, den sogenannten Warften. Auf den Warften gab es Regenwasserzisternen für Mensch und Vieh. Mit dem Landbesitz kam automatisch die Deichpflicht. Dies wurde damals rechtlich festgelegt. Auch die Erbfolge war gesetzlich streng geregelt, damit es im Erbfall keine Streitigkeiten gab und somit die Deichpflege gesichert war. Gleichzeitig setzte auch die flächendeckende Christianisierung ein. Aber selbst hier galt erst der Deich, dann das Land, dann Gott und dann der Mensch. Somit war selbst der Kirchenfrevel nachrangig. Zwei Drittel der damals entstanden 150 Warften sind noch heute bewohnt.
Am ersten November 1436 trennte die Allerheiligenflut Pellworm von Nordstrand ab. 1480 teilte eine weitere Sturmflut Pellworm in zwei Teile. 1550 konnten Pellworm und Nordstrand unter großen Anstrengungen wieder vereint werden. Doch in der Burchardiflut am 11. und 12. Oktober 1634 wurden Pellworm und Nordstrand endgültig getrennt. Allein auf Pellworm ertranken damals ca. 1000 Menschen. Die Ursache war der massive Salztorfabbau in der gesamten Region bis vor die südliche Küste Föhrs, der auch die Strömungen im Wattenmeer veränderte. Der Salztorf wurde zum einen als Brennmaterial gebraucht, da Holz auf der Insel sehr knapp war. Zum anderen wurde das gewonnene Salz zum Pökeln und Haltbarmachen genutzt und entwickelte sich zu einem wichtigen Wirtschaftszweig und wurde in ganz Nordeuropa vertrieben.
Zu Beginn des 17. Jahrhunderts wütete auf der Insel die Pest. In den darauffolgenden Jahrzehnten schrumpfte die Bevölkerung Pellworms auf Grund verschiedener Krankheiten, die die Insulaner heimsuchten. Dennoch erfuhr die Insel zwischen 1660 und 1717 eine neue Blütezeit. Da das Marschgebiet zu den fruchtbarsten Regionen gehörte und ein ständiger landwirtschaftlicher Überschuss produziert wurde. Neben Getreideanbau und Viehmast entdeckten die Insulaner den Rapsanbau für sich. Überschüssig produziertes Stroh wurde sogar bis Holland exportiert. Mit der Weihnachtsflut von 1717 nahm der Aufschwung ein jähes Ende. Von den Verlusten der Flut erholte sich Pellworm in den nächsten Jahrzehnten nicht, da es auch jedes Jahr aufs Neue Wassereinbrüche gab, weswegen sich die Trinkwasserqualität verschlechterte und immer wieder erneut Krankheiten ausbrechen ließ. Die Sterblichkeitsrate überstieg die Geburtenrate, aber der Bevölkerungsschwund wurde durch Zuzug Auswärtiger ausgeglichen. 1774 wurde allen klar das ein neues Deichrecht hermusste. Man übergab den Deichschutz einem Experten und die Kosten wurden anteilig an die Grundbesitzer umgelegt. Nach der Flut 1825 mussten ein Drittel der Landwirte Konkurs anmelden. Der dänische Staat kaufte das Land auf und war nun auch in den Deichschutz eingebunden. Die Deiche wurden kontinuierlich erhöht und weitere Sturmfluten verwüsteten die Insel nicht mehr. Aber das Elend der Bevölkerung verschlimmerte sich im Laufe der Zeit durch die zusätzliche Belastung durch den Deichbau und die Deichsicherung. Seit 1825 gab es auch einen regelmäßigen Dampfschiffverkehr nach Husum, was die Anbindung ans Festland deutlich verbesserte
Im Rahmen des Landgewinnungsprogramms durch die nationalsozialistische Blut- und Boden-Ideologie wurde 1938/39 die Inselfläche durch die Eindeichung des Bupheverkoogs vergrößert. Damals war eine Festlandsanbindung durch einen Sicherungsdamm geplant, dies wurde jedoch nie durchgeführt. Die gewonnen Ländereien wurden zur Hälfte an Pellwormer und zur anderen Hälfte an “verdiente” Parteigenossen der NSDAP vom Festland vergeben.
In der Nachkriegszeit gab es auch auf Pellworm eine große Anzahl von Flüchtlingen, die sich aber teilweise nur kurz auf der Insel aufhielten, da das Arbeitsangebot sehr begrenzt war.
Im Dezember 1965 wurde eine Trinkwasserleitung vom Festland auf die Insel gelegt. Als die einzelnen Häuser an diese angebunden wurden, wurden gleichzeitig auch die meisten Häuser endlich mit Strom versorgt. Durch diese Modernisierung gelang es dann auch den Fremdenverkehr auf Pellworm auszubauen. Seit dem Bau eines Anlegers in der Mündung des Hafenpriels im Jahr 1993 kann die Insel jetzt auch tideunabhängig angefahren werden, was den Fremdenverkehr deutlich ankurbelte und erlaubte, dass er wirtschaftlich die Landwirtschaft, die bis dahin als Haupteinnahmequelle dominierte, überholte.
1980 wurde das Rungholt-Museum Bahnsen eröffnet. Hier werden Funde des watterfahrenen Heimatforschers Hellmut Bahnsen aus dem Watt präsentiert. Außerdem findet man im Wattenmuseum Liermann am Schüttring Funde aus 50 Jahren Postgang des Halligpostboten Heinrich Liermann. Die Geschichte rund um den Deichbau kann man sich im Inselmuseum im Dachgeschoss der Kurverwaltung näherbringen lassen.
In den 2000er Jahren wurde die Alte Kirche renoviert. Der geziegelte Turm stürzte 1611 zum großen Teil in sich zusammen, da der weiche Wattboden seinem Gewicht nicht gewachsen war. Der heute erhaltene Rumpf von 26m Höhe gilt als Wahrzeichen der Insel und dient regelmäßig Turmfalken als Nistplatz. Der Sage nach soll er dem Seeräuber Widderich als Versteck gedient haben. Die Alte Kirche hat auch die einzige erhaltene Schnitger-Orgel. Sie stammt aus dem Jahre 1711 und ist für Ihren Klang berühmt. Organisten aus der ganzen Welt reisen nach Pellworm, um hier ihre Platten und CDs aufzunehmen. Mittwochs kann man im Sommer hier Konzerte besuchen.