Batumi zawdzięcza swoją nazwę starożytnym Grekom, którzy w tym miejscu zatrzymywali się w drodze do kolonii. W dawnych czasach miasto było znane jako Bathys Limen (Głęboki Port). Arystoteles wspominał Batumi jako część Królestwa Kolchidy w III w pne. W II w pne port odbudowali i ufortyfikowali Rzymianie. Miasto wielokrotnie przechodziło z rąk do rąk aż do X wieku, kiedy to stało się częścią Królestwa Gruzji. W XV wieku Batumi na krótko znalazło się pod rządami Turków. W XVI wieku Turcy powrócili z wielką armią i Gruzini musieli poddać miasto. W ciągu następnego stuleci, Batumi zostało na moment odzyskane, lecz szybko znów wróciło pod kontrolę turecką .
W XIX wieku miasto było sceną przepychanek rosyjskich i tureckich interesów, aż wreszcie, po wojnie rosyjsko-tureckiej w roku 1877/78, strona Turecka poniosła klęskę i Batumi przeszło pod kontrolę Cesarstwa Rosyjskiego (wraz ze znaczną częścią południowo-zachodniej Gruzji). Po wstępnym traktacie podpisanym między Rosjanami a Imperium Osmańskimi (San Stefano), oraz następnym w Berlinie, Batumi zostało uznany za wolny port (porto franco) i utrzymało ten status aż do 1886 roku.
Pod koniec roku 1870 została zakończona budowa portu morskiego i rozpoczął się okres rozbudowy. Linia kolejowa Batumi-Tbilisi-Baku została uruchomiona w 1900 roku, w tym samym czasie ukończono także rurociąg Baku-Batumi. Miasto stało się wielkim ośrodkiem przetwórstwa ropy naftowej. W 1888 roku Batumi oficjalnie uzyskało status miasta, został wybrany także pierwszy burmistrz. Szybko Batumi stało się głównym rosyjskim portem przeładunkowym ropy naftowej na Morzu Czarnym. Miasto znalazło się pod bezpośrednią kontrolą Generalnego Gubernatorstwa Gruzji w 1903 roku.
Po utworzeniu państwa radzieckiego w 1921 r. Ajara ze stolicą w Batumi została uznana jako Niezależna Republika. Zachowuje ten stan do dnia dzisiejszego. W czasach sowieckich Batumi straciło swoje znaczenie i było dość zwyczajnym miastem.
Od 2000 roku Batumi rewiduje przeszłość i czeka co przyniesie przyszłość. Teraz, po raz kolejny, staje się ważnym czarnomorskim ośrodkiem, tym razem jako cel podróży turystycznych.