Bien qu'il n'y ait pas beaucoup de preuves archéologiques, les gens vivaient dans les zones situées le long de la baie de Hilo, des rivières Wailuku et Wailoa avant que le monde occidental n'entre en contact avec eux. [] Ils étaient connus sous le nom de Hilo. Ils ont dominé les hauts sommets des montagnes jusqu'au milieu des années 1800. [] Hilo signifie "haut sommet" dans la langue originale des peuples indigènes qui vivaient sur les sommets des montagnes. Le roi Kamehameha, le premier roi d'Hawaï, a conquis toutes les îles et a ensuite déplacé le campement des Hilo sur la côte après l'arrivée des étrangers.
À l'origine, le nom de Hilo s'appliquait à l'ensemble du district de Hilo, aujourd'hui divisé en district de Hilo Sud et district de Hilo Nord. Lors de la visite de William Ellis en 1823, le principal établissement du district de Hilo était Waiākea, dans la baie de Hilo. Des missionnaires sont venus dans le district au début et au milieu du XIXe siècle, fondant plusieurs églises, notamment l'église du Haili, dans la région de l'actuel Hilo.
Hilo s'est développée à mesure que les plantations de sucre des environs créaient de nouveaux emplois et attiraient de nombreux travailleurs d'Asie, faisant de la ville un centre commercial.
Un brise-lames à travers la baie de Hilo a été commencé dans les années 1900 et terminé en 1929. Le 1er avril 1946, un tremblement de terre de magnitude 7,8 près des îles Aléoutiennes a créé un tsunami de 14 mètres de haut qui a frappé Hilo 4,9 heures plus tard, tuant 160 personnes. En réaction, un système d'alerte rapide, le Centre d'alerte aux tsunamis du Pacifique, a été créé en 1949 pour suivre ces vagues meurtrières et donner l'alerte. Ce tsunami a également signifié la fin de la Hawaii Consolidated Railway, et à la place, la Hawaii Belt Road a été construite au nord de Hilo en utilisant une partie de la voie ferrée.
Le 23 mai 1960, un autre tsunami, provoqué par un tremblement de terre de magnitude 9,5 au large des côtes chiliennes la veille, a fait 61 victimes, prétendument parce que les gens n'avaient pas tenu compte des sirènes d'alerte. Les quartiers de basse altitude de la ville sur la péninsule Waiākea et le long de la baie de Hilo, auparavant peuplés, ont été à nouveau consacrés à des parcs et des monuments commémoratifs.
