Den første mølle var af træ og blev bygget i 1744. I 1745 blev den købt af brødrene Valentin og Lorenz Claussen, og blev drevet af Lorenz til dennes død i 1775. Dybbøl Mølle overgik til Lorenz Claussens søn, Lorenz Claussen den yngre. Den yngre Lorenz var kun 21 år gammel, men en dygtig ung mand. Han eksperimenterede med mølleteknik, og vandt i 1782 en guldmedalje for sin afhandling om emnet. I 1800 blev møllen ramt af et lyn og nedbrændte. Møllen blev dog hurtigt genopbygget, igen af træ. Møllen som vi kender den i dag er fra 1853 den blev opbygget som en hollandsk vindmølle i teglsten Allerede under krigen 1864, 9 år efter opbygningen i tegl, blev møllen et symbol på den danske udholdenhed i de hårde kampe, trods nederlaget
Dybbøl mølle måtte genopbygges efter en brand i 1935. Mølleriet forsatte til 1990. I 1995 indrettede museet på Sønderborg Slot udstillinger i møllen. Hele møllen, inklusiv forpagterboligen, fik senest en totalrenovering af os i 2012. Den næste renovering er netop sat i gang i 2019, hvor vingerne skal genopbygges, tandkrans-muren genetableres og støbes og selve tandkransen restaureres. Møllen får en restaurering både indvendigt og udvendigt, og forventes at stå færdig ved fejringen af 100-året for genforeningen af Sønderjylland til Danmark i april 2020