Après la conquête de Constantinople par les Ottomans en 1453, le sultan exigea des Chevaliers de Saint-Jean de payer une taxe de vassalité. Suite à leur refus, les Ottomans firent de l’île de Kos une cible constante de leurs attaques, forçant les habitants de l’île d’abandonner leurs maisons et de se réfugier dans les forteresses. L’île résista à tous ces assauts, mais, le 1er janvier 1523, après six mois de siège, les armées du sultan ottoman Soliman Ier prirent la forteresse des Chevaliers de Saint-Jean à Rhodes. Les termes de la reddition prévoyaient la remise des autres possessions de l’Ordre de Saint-Jean dans le Dodécanèse, notamment celle de Kos : le 5 janvier 1523, les Chevaliers Hospitaliers durent remettre le château de Neratzia et l’île de Kos aux Turcs. En 1603, les Chevaliers Hospitaliers tentèrent sans succès de reprendre l’île.
Kos entra dans le système administratif de l’Empire ottoman ; l’île et la ville de Kos se nommaient Istanköy en turc – que les Européens transcrivaient en Stankou. Rhodes et Kos, contrairement à d’autres îles du Dodécanèse, subirent de lourdes taxes imposées par l’occupant turc. Un nombre important de colons musulmans immigrèrent sur l’île au cours du XVIe siècle : au cours des XVIIe et XVIIIe siècles, la population était divisée entre musulmans et chrétiens, mais l’île comptait également un petit nombre de juifs. Les musulmans vivaient principalement dans les zones urbaines, tandis que la campagne était exclusivement chrétienne.
Les habitants grecs de Kos s’opposèrent sans cesse à la domination turque. Au cours de la guerre entre la Russie et l’Empire ottomane de 1788-1792 la population grecque orthodoxe fut durement réprimée par les Ottomans. En 1810-11, l’île de Kos fut frappée par une terrible épidémie de peste. En 1821, elle prit part au soulèvement grec contre l’occupant ; la répression turque fut sauvage : le 11 juillet de cette année, plus de 90 patriotes grecs furent pendus autour du platane d’Hippocrate. Selon un témoignage écrit du voyageur français Pouqueville, les Turcs exécutèrent 900 chrétiens grecs sur l’île de Kos. En 1824, Kos subit une nouvelle répression après la bataille de Gerontas (29 août 1824) où la flotte ottomane fut vaincue par la flotte grecque.
Au début des années 1830, la Grèce – qui avait progressivement était conquise par l’empire ottoman depuis le XIVe siècle – commença à se libérer du joug ottoman. Cependant Kos et le reste du Dodécanèse restaient turcs ; ce n’est qu’après 1838 que quelques droits fondamentaux et politiques furent accordés aux chrétiens de Kos : en 1843, un Conseil des Anciens fut inauguré sur l’île de Kos.
Tout au long de l’occupation ottomane, l’économie de l’île resta essentiellement agricole : les voyageurs de l’époque offrent des descriptions de l’abondance des produits agricoles ; cependant les infrastructures de l’île furent négligées pendant cette période.