Il distretto di Ferraio fu ceduto dagli Appiani per ordine dell'imperatore Carlo V
ai Medici nel 1547.
Portoferraio fu fondata per volere di Cosimo I, granduca di Toscana, da cui la città prese
il primo nome, "Cosmopoli", nel 1548, concepita come presidio militare con lo scopo di difendere
le coste del Granducato e dell'isola d'Elba.

La città, exclave toscana nel Principato di Piombino, all'inizio era poco più che un insieme di fortificazioni (ancora tutt'oggi visitabili e ben conservate), come i tre forti:
Forte Stella, Forte Falcone e la Linguella (mentre Forte Inglese fu realizzato successivamente
per rinforzare la cittadina  in vista dell'assedio della flotta britannica)
e la bellissima cinta muraria, i cui resti, ancora in buono stato e resi abitabili,
circondano il centro storico di Portoferraio.
Rimase sotto il controllo del Granducato di Toscana fino al XVIII secolo quando l'isola,
per la sua posizione strategica, fu al centro di una guerra tra Francia, Austria e Inghilterra.
Nel 1814 l'isola fu affidata a Napoleone Bonaparte come sede del suo primo esilio.
Napoleone scelse Portoferraio come capoluogo dell'isola; nella città sono ancora presenti
e visitabili le due ville che furono sua residenza, quella di San Martino e la Villa dei Mulini.

Fu grazie al regno dell'imperatore francese, seppur breve (1814-1815), che Portoferraio
crebbe in importanza e modernità in maniera esponenziale, come tutta l'isola del resto,
grazie alle infrastrutture create e alla valorizzazione delle miniere di ferro di Rio Marina.
In questo periodo Portoferraio divenne il porto adibito al trasporto del ferro dalle miniere
elbane al continente, e da ciò deriva il nome attuale.

Successivamente Portoferraio tornò sotto il dominio del Granducato di Toscana fino
all'unità d'Italia nel 1860. Nel carcere della città fu rinchiuso e morì il noto brigante
Carmine Crocco di Rionero in Vulture, ricordato per le sue rivoluzioni contro il governo
sabaudo di Vittorio Emanuele II.

Portoferraio conobbe un periodo economicamente stabile, come tutta l'isola,
grazie alle miniere di ferro fino agli inizi degli anni '70, quando l'industria del ferro
entrò in crisi. Rapidamente le miniere vennero smantellate (l'ultima venne chiusa nel 1981),
ma Portoferraio, grazie alle sue spiagge, seppe riciclarsi nell'industria del turismo,
che ancora oggi rappresenta la principale fonte di ricchezza.