Kastelórizolla tiedetään olleen asutusta jo neoliittisella kaudella eli nuoremmalla kivikaudella. Kastelórizo otti yhdessä muiden Dodekanesian saarten kanssa osaa kreikkalaiseen mytologiaan kuuluneeseen Troijan sotaan. Minolaisen ja mykeneläisen kulttuurin aikoina saari oli Kreetan kauppa-asema. Saari toimi myös väliasemana Kyproksen kanssa käydyssä kaupassa. Myöhemmin saaren asuttivat Pseudo-Skylaksin mukaan doorilaiset, jotka alkoivat kutsua sitä nimellä "Megiste". Doorilaisten jälkeen saaren ottivat haltuunsa persialaiset. Rhodoslaiset komentajat, joita kutsuttiin nimellä "epistatai", hallitsivat saarta 400-luvun puolivälistä eaa. eteenpäin. Näinä aikoina Kastelórizo oli turvallisen satamansa ja strategisen sijaintinsa ansiosta merkittävä välityskauppa-alue (). Antiikin aikana saarella oli kaupunki, joka sijaitsi nykyisellä Palaiókastron kukkulalla. Sen nimi oli mahdollisesti Kisthene (tai vain Megiste). Roomalaisen historioitsija Titus Liviuksen mukaan vuosina 333–304 eaa. kaupunki oli jopa itsenäinen. Tänä aikana Rhodoksen eparkian Sosikles rakensi saarelle linnoituksen, ja Kastelórizo löi Rhodoksella myös omia rahojaan. Rooman–Syyrian sodan aikana vuosina 192–188 eaa. Rooman kanssa liittoutuneet rhodoslaiset lähettivät erään Eudamoksen Kastelórizolle komentamaan 36 laivaa, joiden oli tarkoitus estää Hannibalin johtaman seleukidien laivaston pääsy Egeanmerelle. Eudamoksen laivasto löi Hannibalin Eurymedonin taistelussa vuonna 190 eaa., ja Hannibal laivastoineen saarrettiin Pamfyliaan.