Starożytność (VI w. p.n.e. – VII w.)
Na terenie dzisiejszego Achełoju Trakowie osiedlali się już od VI w. p.n.e. Później miejsce to było małym portem w orbicie greckich kolonii Apollonii (Sozopol) i Mesembrii (Nesebyr). Nazwa „Achełoj” pochodzi od greckiego „Acheloos” — bóstwa rzecznego, którego imię oznacza „rzekę”.
Bitwa pod Achełojem (917 r.)
20 sierpnia 917 r. na równinie anchialskiej — między twierdzami Anchialos (dziś Pomorie) i Mesembria (Nesebyr), w pobliżu ujścia rzeki Achełoj — rozegrała się jedna z największych bitew średniowiecznej Europy. Car Symeon I Wielki rozbił bizantyjską armię magistra Leona Fokasa atakiem oskrzydlającym ze wzgórza Biberna (koło dzisiejszego Kableszkowa). Straty bizantyjskie szacuje się na dziesiątki tysięcy zabitych; według Leona Diakona stosy kości pod Anchialos były widoczne jeszcze 75 lat po bitwie. Zwycięstwo umocniło bułgarską przewagę na Bałkanach i przyspieszyło uznanie cesarskiego tytułu bułgarskiego władcy.
Średniowiecze i Imperium Osmańskie (X–XIX w.)
Po wielkiej bitwie miejsce zachowało strategiczne znaczenie — do XIV w. przebiegała tędy granica między Carstwem Bułgarskim a Bizancjum. Pod panowaniem osmańskim Achełoj był małą osadą rybacką z ludnością grecką i bułgarską, liczącą około 30 domów. W XIX w. osiedlili się tu uchodźcy z Tracji Wschodniej i Azji Mniejszej.
Współczesny Achełoj (1878 — dziś)
Po wyzwoleniu w 1878 r. Achełoj pozostał w Rumelii Wschodniej, a po zjednoczeniu z 6 września 1885 r. przeszedł do zjednoczonego Księstwa Bułgarii. W 1967 r. wieś ogłoszono morskim kurortem klimatycznym o znaczeniu lokalnym. 10 stycznia 2009 r. decyzją nr 4 Rady Ministrów (ogłoszoną w Dzienniku Państwowym nr 6 z 23.01.2009 r.) Achełoj został ogłoszony miastem — jedną z najnowszych miejscowości z takim statusem w obwodzie burgaskim.