Батуми обязан своим именем древним грекам, для которых Батис Лимен (Глубокая Гавань) был местом остановки на пути к их колониям. В III веке до н.э. Аристотель упоминал это место как часть Колхидского царства. Во II веке поселение было перестроено в фортифицированный Римский порт. Город переходил из рук в руки до X века, пока не стал частью Грузинского царства. Под власть Османской империи Батуми впервые попал в XV веке, но турки не удержали его надолго. Только в XVI веке османцы вернулись с большей армией, и грузинским правителям пришлось отдать город. На протяжении следующего столетия Батуми захватывался грузинами, но его снова быстро возвращали под контроль Османской империи.
На протяжении XIX века Батуми был местом пересечения российских и турецких интересов, и, в конце концов, после Русско-турецкой войны 1877-1878, поражение турков привело Батуми под контроль Российской империи (вместе со значительной частью юго-западной Грузии). После подписания Сан-Стефанского мира между Российской и Османской империями, и последующего Берлинского трактата, Батуми был провозглашен свободным портом (порто-франко) и сохранял этот статус до 1886 года.
К концу 1870-х годов было окончено строительство морского порта, и началась экспансия Батуми. Строительство железной дороги, соединяющей Батуми с Тбилиси и Баку, было завершено в 1900, как раз к окончанию проведения нефтяного трубопровода Батуми-Баку. В те времена в Батуми был огромный центр по переработке нефти. Примерно в это же время, в 1888 году, Батуми официально получил статус города и был выбран первый мэр Батуми. Более этого, город стал главным российским нефтяным портом на Черном море. Город был передан под непосредственный контроль генерал-губернатора Грузии только в 1903 году.
После того как Грузия стала частью Советского Союза, в 1921 году, Аджария с центром в Батуми была провозглашена автономной республикой. Этот статус регион сохраняет до сих пор. Но в советское время Батуми потерял свою значимость и стал обычным советским городом.
С начала 2000-х годов, после «Революции роз», Батуми находился в поисках своего былого величия. Сейчас он снова становится значимым городом Черноморского побережья, теперь в качестве интересного туристического центра.