デロス島に本部が設置され参加ポリスが共同管理していたが、ペルシャの軍事的脅威が薄れるとアテナイは資金や海軍を勝手に流用し、アテナイによる同盟諸ポリスに対する支配機関へと変貌した。のちに本部もアテナイに移されてしまった。
アテナイの専制的支配に対して離反するポリスが現れると、これを支援するスパルタとアテナイとの間に緊張が生じた。紀元前431年に両者の対立は頂点に達しペロポネソス戦争が発生した。紀元前404年、アテナイの敗北が決まるとデロス同盟は解散した。