A Bali ci sono tracce della presenza umana dall'età della pietra ed è quasi certo che l'isola fosse già abitata in ere preistoriche ancora precedenti. Non sappiamo molto del periodo in cui i mercanti indiani portarono l'hinduismo nell'arcipelago indonesiano e le prime testimonianze scritte sono alcune iscrizioni su una colonna di pietra vicino a Sanur e risalgono al IX secolo d.C. circa. La cultura hindu giavanese si diffuse a Bali nella prima metà del XI secolo, quando furono scavati i santuari nelle rocce di Gunung Kawi.
La dinastia giavanese dei Singasari conquistò Bali nel 1284, ma poco dopo Bali ottenne nuovamente l'autonomia e la dinastia dei Pejeng, originaria della zona vicino all'attuale Ubud, regnò sull'isola fino al 1343, quando il re Dalem Bedaulu fu sconfitto dal leggendario Gajah Mada, primo ministro dei Majapahit e Bali tornò sotto l'influenza di Java. Quando nel XV secolo l'Islam si insediò a Java, il regno dei Majapahit si dissolse e gran parte degli uomini di cultura si trasferì a Bali: tra questi molti sacerdoti che si ritiene siano stati gli iniziatori dei complessi rituali della religione balinese. Anche gli artisti, i danzatori e i musicisti giavanesi cercarono rifugio a Bali e l'isola visse un intenso periodo di fervente attività culturale.
I primi europei a metter piede a Bali furono i navigatori olandesi nel 1597 che, dando origine a una tradizione che perdura oggigiorno, si innamorarono dell'isola: al momento di salpare molti membri dell'equipaggio si rifiutarono di partire. Nel XVII secolo gli olandesi stabilirono contratti commerciali con i principi giavanesi sottraendo il controllo del commercio delle spezie al Portogallo. Essendo interessati soprattutto al profitto e non alla cultura, trascurarono quasi completamente l'isola.
All'inizio del XVIII secolo, in un momento di crisi del governo locale, gli olandesi cominciarono a usare le maniere forti con la tradizionale e comprovata tecnica del 'divide et impera'. Nel 1846, con la scusa di proteggere le navi che facevano naufragio dalle rivendicazioni balinesi, inviarono un contingente militare nel nord di Bali e decisero di appoggiare i Sasaks di Lombok, sollevatisi contro il loro ragià balinese. Quest'ultimo cedette alla richieste degli olandesi ma fu deposto dai principi più giovani che sconfissero le forze olandesi con un attacco a sorpresa. Furenti gli olandesi inviarono un grosso esercito che tolse ai balinesi il controllo della piccola isola vicina. Con il nord sotto il controllo olandese e i ponti con Lombok tagliati, il sud di Bali aveva ben poche possibilità di mantenersi autonomo e nel 1904 una nuova disputa per i diritti sulle navi naufragate portò all'invio a Sanur della marina militare olandese.
Le truppe olandesi impiegarono cinque giorni a raggiungere la periferia di Denpasar. La nobiltà e i capi religiosi balinesi, data l'inferiorità numerica e di armamenti del loro esercito, decisero di difendere l'onore e optarono per la lotta suicida all'ultimo sangue - detta puputan - piuttosto che arrendersi: dapprima bruciarono i palazzi, poi il ragià condusse i nobili e i sacerdoti, ornati dei loro gioielli più preziosi e armati di pugnali d'oro, a affrontare gli olandesi e le loro moderne armi. Gli olandesi pregarono i balinesi di arrendersi ma i loro appelli non furono accolti e uno dopo l'altro i nobili marciarono verso la morte. In totale morirono quasi 4000 balinesi.
Con la resa o la sconfitta di altri regni locali, l'intera isola passò sotto il controllo olandese ed entrò a far parte delle Indie Orientali Olandesi con la conseguente modesta crescita di un'economia di sfruttamento coloniale che non produsse mutamenti nella vita della gente comune: sotto il governo dei ragià o dell'Olanda la situazione era più o meno la stessa. Nonostante il lungo prologo, la colonizzazione olandese non avrebbe avuto vita lunga: nel 1942 il Giappone invase l'isola.
Alla fine della guerra, il leader indonesiano Sukarno proclamò l'indipendenza dell'Indonesia, ma ci vollero ben cinque anni perché l'Olanda capisse che non avrebbe più ottenuto la sua colonia. Ancora nel 1946, la battaglia di Marga si concluse con la totale eliminazione di un gruppo della resistenza balinese, quasi una riedizione del puputan di mezzo secolo prima. Infine, nel 1949, l'Olanda riconobbe l'indipendenza dell'Indonesia. Nel 1965, un tentativo di colpo di stato attribuito al partito comunista portò alla caduta di Sukarno, ma il generale Suharto represse il colpo di stato dando prova di grande abilità militare e politica.
Il Partito comunista venne dichiarato illegale e seguirono ondate di rappresaglie anticomuniste. A Bali i comunisti, che sollecitavano la riforma agraria e protestavano per la repressione sociale, erano visti come una minaccia per i valori tradizionali e per il sistema delle caste, e bande di fanatici approfittarono dell'isteria del dopo colpo di stato per condurre una vera e propria caccia alle streghe e parecchie persone sospette furono catturate e picchiate a morte. La comunità cinese fu particolarmente colpita dalla violenza, fino a quando intervenne l'esercito a riportare l'ordine, ma non c'è balinese che non sia stato toccato dagli omicidi: si calcola che furono uccise da 50.000 a 100.000 persone, quando la popolazione totale dell'isola ammontava a 2 milioni di persone.
Suharto divenne presidente e sotto il suo governo l'Indonesia si rivolse a occidente alla ricerca di alleati e investitori. A Bali l'espansione sfrenata dell'industria turistica portò crescita economica e un impressionante sviluppo delle infrastrutture, ma anche a forzati trasferimenti della popolazione locale e allo smembramento di molte comunità tradizionali.
Nel 1997 l'Asia meridionale affrontò una grave crisi economica e, prima della fine dell'anno, la valuta indonesiana fu svalutata dai mercati internazionali e l'economia indonesiana rischiò la bancarotta. Per tentare di superare la crisi, nel maggio del 1998 Suharto aumentò il prezzo dell'elettricità e della benzina provocando aumenti a catena nei trasporti e nei generi alimentari. Rivolte scoppiarono a Java, Sumatra e Kalimantan. Incapace di sedare le proteste, Suharto annunciò le sue dimissioni dopo 32 anni di governo e Habibie divenne il nuovo presidente. Dopo la crisi di Timor del 1999, il parlamento indonesiano elesse Abdurrahman Wahid, leader della più grande organizzazione musulmana dell'Indonesia. Wahid, conosciuto con il soprannome di Gus Dur, è un leader moderato e poco carismatico che ha portato pochi e lenti miglioramenti ad alcuni dei più seri problemi dell'Indonesia, quali la crisi economica, il contenimento del potere dell'esercito e i processi per corruzione a Suharto e alla maggior parte dei suoi collaboratori. Successi ancora minori ha ottenuto nell'affrontare i conflitti etnici, religiosi e regionali diffusi in tutto il paese. A Bali, gli hindu, i musulmani e i cristiani hanno mantenuto rapporti cordiali, ma sull'isola persiste una malcelata ostilità nei confronti della comunità cinese.
Prima della sera di sabato 12 ottobre 2002, Bali era il gioiello scintillante in un regno d'Indonesia in via di deterioramento. Una serie di esplosioni mirate che avevano per obiettivo i turisti occidentali ha causato circa 200 vittime, per la maggior parte cittadini australiani ed europei, e diverse centinaia tra feriti e dispersi. Il Sari Club, nei pressi della popolare spiaggia di Kuta, è stato l'obiettivo più danneggiato dall'attacco, quando una esplosione l'ha devastato pochi minuti prima della mezzanotte.
Da allora, le autorità indonesiane hanno aumentato le misure di sicurezza nei punti strategici, principalmente negli aeroporti e nei luoghi turistici. Le grandi organizzazioni musulmane di massa indonesiane sostengono il governo nella lotta contro il terrorismo.
Il 5 agosto 2003 un attentato dinamitardo, che ha colpito l'hotel Marriott di Jakarta nell'area di Kuningan (causando 10 morti e circa 150 feriti), ha indotto le autorità a innalzare il livello di allerta al massimo grado in tutta l'Indonesia.
Nell'ultimo anno non sono mancati i segnali positivi: lo svolgimento pacifico delle elezioni presidenziali in Indonesia, che si sono svolte nel 2004, lascia ben sperare per il futuro del paese.
Il 1° ottobre 2005 un doppio attacco terroristico contro turisti avvenuto sia nei pressi della Baia di Jimbaran sia nel centro di Kuta ha causato decine di vittime.
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