Le nom est attesté depuis 1544. Un moulin existait encore en 1840  sous le nom de moulin de Brennic (= bernique) et en 1865 milin an aod (moulin de la grève), ce qui illustre bien sa position dans le haut de la plage.

Valorisée par l’établissement de la ligne de tramway entre Brest et Le Conquet en 1903, la plage de Porsmilin devient rapidement une plage très courue des Brestois. Un hôtel-restaurant, l’hôtel d’Armorique, contribue à son succès ainsi que, plus haut, l’hôtel de la Cité.

En 1933, l’abandon du tramway et son remplacement par une ligne de cars n’affectent pas son attractivité. Les congés payés, 15 jours accordés en 1936, accentuent la fréquentation.
Même l’occupation allemande n’empêche pas de profiter des joies de la plage. La carcasse d’un vieux navire français l’Impétueuse, un dragueur-canonnière échoué fin 1941 à l’ouest de la plage, sert de tremplin aux plongeurs mais aussi d’exercices de tir pour les Allemands. La plage est interdite à partir de 1943 et équipée d’obstacles par l’organisation TODT pour empêcher un débarquement allié. Ces obstacles resteront visibles longtemps.

Après la guerre, la fréquentation est dopée par les campeurs. L’hôtel cède la place à une colonie de vacances dès 1964. Le centre aéré s’y installe aussi en 1990. La résidence hôtelière ouvre en 2007 dans un cadre rénové. Depuis le printemps 2016, une école de surf initie grands et petits aux joies de la glisse. Un nouveau parking facilite l’accès à la plage depuis l’été 2018.

La plage présente un fort intérêt géologique. On peut y constater les variations des niveaux marins à marée basse: les rochers apparents sont en réalité les troncs fossilisés d’une ancienne forêt. Dans le haut de la plage, la dune malmenée par les tempêtes de l’hiver 2013/2014 cache d’anciens niveaux marins plus élevés. La falaise, côté Plougonvelin, montre la tâche claire signalant une ancienne activité volcanique il y a 200 000 millions d’années.