Перша писемна згадка про Мліїв належить до 1499 року, коли він належав Васьковичам, проте є припущення, що історія поселення сягає часів Київської Русі.
На початку 17 століття у власності Христини Коренівської у дівоцтві Зубрик, з 28 березня 1633 — коронного гетьмана Станіслава Конецпольського.
Існує переказ про мліївського селянина Данила Кушніра, страченого шляхтичами за відмову прийняти католицьку віру. Кушніра катували, а потім облили смолою й підпалили. Цей акт був спрямований на те, щоб залякати населення, яке піднялося на боротьбу.
В 1648 році Млієвом оволоділи війська Богдана Хмельницького і він став ранговим містечком гетьмана.
У першій половині січня 1654 року для приведення до присяги володарю царю та великому князю Олексію Михайловичу брацлавського полку, серед інших ґородів і у ґородах Новий та Старий Мгліїв, був посланий князь Федір Барятинський. У ґороді Новий Мгліїв присягу склали: 1 сотник, 1 сотенний отаман, 1 сотенний осавул, 208 козаків, 13 міщан. У ґороді Старий Мгліїв поисягу склали: 1 сотенний отаман, 1 сотенний осавул, 40 козаків, 34 міщанина.
В 1661 році, за постановою сейму, Мліїв знову був закріплений за Конецпольським. З початку XVIII століття Мліїв з округою належав князю Любомирському.
На початку XIX століття Мліїв перейшов у власність до Єлизавети Браницької, дружини князя Воронцова.
В роки визвольних змагань Мліїв був ареною боротьби загонів українських повстанців проти більшовиків та інших загарбницьких сил. На початку 1920-х років село — центр Мліївської республіки.
В ході Другої світової війни село окуповане німецькими військами 2 серпня 1941 року. 6 лютого 1944 року частини 72-ї та 254-ї стрілецьких дивізій 52-ї армії СРСР підійшли до села і з боями 9 лютого відвоювали його, відновивши радянську окупацію.
Село постраждало внаслідок геноциду українського народу, проведеного окупаційним урядом СССР 1923—1933 та 1946–1947 роках.
Восени 2016 року на будинку, де з 1870 по 1873 рік проживав автор слів Гімну України Павло Чубинський, встановили пам’ятну дошку.
