Từ những ngày đầu vào lập nghiệp ở Đàng Trong, các Chúa Nguyễn đã quan tâm đến hoạt động xuất nhập khẩu và kinh tế biển. Sự hình thành và phát triển rực rỡ của thương cảng Hội An là một minh chứng sinh động nhất về chính sách mở cửa, giao thương với bên ngoài. Các hoạt động vươn ra biển Đông khẳng định chủ quyền lãnh hải và khai thác biển đảo, trong đó có quần đảo Hoàng Sa và Trường Sa, được ghi chép tương đối đầy đủ, thống nhất trong các bộ sử ký của nhà Nguyễn cũng như trong các tài liệu của người nước ngoài.
Thích Đại Sán là một trong những vị cao tăng người Quảng Đông - Trung Quốc, được chúa Nguyễn mời đến Thuận Hóa truyền đạo. Ông là người khai sáng chùa Thiền Lâm vào năm 1695, mở đại giới đàn ở chùa Thiên Mụ, làm cố vấn chính trị cho chúa Nguyễn Phúc Chu. Ông đến Thuận Hóa bằng đường biển, qua cảng thị Hội An. Khi trở về cố quốc (1697) ông đã viết cuốn Hải ngoại kỷ sự. Hải ngoại kỷ sự được xem là một cẩm nang đối với giới nghiên cứu Huế và nghiên cứu Quảng Nam. Đọc Hải ngoại kỷ sự có thể thấy từ thế kỷ XV đến thế kỷ XVII, nhà nước phong kiến Việt Nam đã thực thi chủ quyền của mình trên một vùng lãnh hải rộng lớn, trong đó có quần đảo Hoàng Sa và Trường Sa, thông qua các biện pháp: thu thuế tàu thuyền buôn nước ngoài; thiết lập đội Hoàng Sa hàng năm ra khai thác hải sản, tìm vớt cổ vật, hàng hóa ở những chiếc tàu bị đắm...
Trong Phủ biên tạp lục, Lê Quý Đôn (1726-1784) viết về Hoàng Sa: Ở ngoài núi Cù Lao Ré (tức huyện đảo Lý Sơn, tỉnh Quảng Ngãi ngày nay) có đảo Đại Trường Sa (tức quần đảo Hoàng Sa) ngày trước, nơi đây thường sản xuất nhiều hải vật chở đi bán các nơi, nên nhà nước có thiết lập một đội Hoàng Sa để thu nhận các hải vật. Người ta phải đi 3 ngày mới đến được đảo Đại Trường Sa.
… Ở trong các hòn đảo có bãi cát vàng, dài chừng hơn 30 dặm, bằng phẳng và rộng lớn, nước trong nhìn suốt đáy. Ở trên các hòn đảo có vô số tổ yến, còn các thứ chim thì kể có hàng ngàn, hàng vạn con… Bên bãi có rất nhiều vật lạ như ốc hoa, có thứ mang tên là ốc tai voi, lớn như chiếc chiếu… Lại có thứ ốc được gọi là ốc xà cừ, thứ ốc này để trang sức các đồ dùng… Có thứ đại mạo là con đồi mồi rất lớn. Có con hải ba (ba ba biển), cũng giống như con đồi mồi nhưng nhỏ hơn, mai mỏng, người ta dùng trang sức các đồ dùng…
Về mặt pháp lý, quần đảo Hoàng Sa thuộc lãnh thổ nước Đại Việt kể từ khi người Việt định cư ở phủ Tư Nghĩa, nay là tỉnh Quảng Ngãi. Dưới thời các chúa Nguyễn, quần đảo Hoàng Sa trực thuộc quản lý hành chính của Thừa tuyên Quảng Nam - dưới danh nghĩa nhà Lê; rồi thuộc phủ Quảng Nghĩa khi chúa Nguyễn đã cát cứ, tự trị ở Đàng Trong. Các sử liệu thời kỳ đó cho đến thời các vua Nguyễn về sau đều chép rằng: “Bãi cát vàng trong phủ Quảng Nghĩa”; “Hoàng Sa ở phủ Quảng Nghĩa (thuộc dinh Quảng Nam) huyện Bình Sơn, xã An Vinh”. Dân xã An Vinh và xã An Hải ở phía Bắc cửa Sa Kỳ (thuộc huyện Sơn Tịnh) cung cấp dân binh cho Hoàng Sa. Dân hai xã An Vinh và An Hải di cư ra Cù Lao Ré (huyện đảo Lý Sơn ngày nay) lập hai phường An Vĩnh và An Hải. Đến đầu triều Nguyễn, năm Gia Long thứ 3 (1804), khi dân số phát triển, hai phường trên Cù Lao Ré được trở thành hai đơn vị hành chính độc lập. Biên chế của đội Hoàng Sa, kể cả chức vụ cai đội Hoàng Sa, chủ yếu được tuyển lựa ở đây.
Đội Hoàng Sa hoạt động từ thế kỷ XVII đến giữa thế kỷ XIX. Thời bấy giờ đội Hoàng Sa là một lực lượng dân binh hùng mạnh, rất giỏi nghề đi biển. Nhiều sử liệu chép họ là quân nhân, chứng tỏ lực lượng dân binh này đã được quân sự hóa trong thời gian đi làm nhiệm vụ trên biển đảo. Vì thế, có thể coi đội này giống như một doanh nghiệp quốc phòng ngày nay với chức năng nhiệm vụ kiểm soát, bảo vệ chủ quyền, khai thác tài nguyên khu vực biển và trên các đảo thuộc Hoàng Sa, Trường Sa. Liên quan đến nhiệm vụ quốc phòng trên biển cho nên viên cai đội Hoàng Sa thường kiêm giữ chức cai cơ Thủ Ngự cửa biển Sa Kỳ - Thủ Ngự có nhiệm vụ tuần tra, chống cướp biển. Thực thi nhiệm vụ kinh tế đội tổ chức khai thác các loại hải sản quý hiếm ở vùng biển Hoàng Sa. Ở đây có nhiều bãi đá ngầm khiến tàu buôn qua lại thỉnh thoảng bị mắc cạn, bị đắm. Đội Hoàng Sa đã khai thác được khá nhiều hàng hóa, sản vật, vàng bạc trên các tàu đắm. Đây là một nguồn lợi rất lớn, trong đó có nhiều cổ vật, vàng bạc, đồ đồng, tiền đồng và có cả súng đạn, mặt hàng có giá trị nhất đối với các chúa Nguyễn trong tăng cường sức mạnh cho quân đội khi thường xuyên phải trấn áp bọn cướp biển và phải đối phó với quân nhà Trịnh ở Đàng Ngoài. Trong Phủ biên tạp lục Lê Quý Đôn cho biết, khi tra sổ sách của Thuyên Đức Hầu, cai đội Hoàng Sa nhiều năm, đã nộp sản vật ở thủ phủ Phú Xuân như sau: Năm Nhâm Ngọ (1702) lượm được 30 thoi bạc. Năm 1704 lượm được thiếc 5.100 cân. Năm Ất Dậu lượm được bạc 126 thoi… Dân binh của đội Hoàng Sa được miễn sưu thuế, được cấp phát lương thực trong thời gian ra biển đảo. Các chúa Nguyễn áp dụng chính sách được hưởng phần vượt định mức khoán sản phẩm cho đội Hoàng Sa. Họ nộp sản phẩm đúng số lượng Triều đình quy định; được hưởng phần dư. Đây cũng là một biện pháp khuyến khích tăng năng suất lao động đã có từ thời các chúa Nguyễn.
Trên bản đồ địa lý tự nhiên của Việt Nam, vùng cửa biển Sa Kỳ nhô ra biển Đông khá xa, nằm ở kinh độ gần Hoàng Sa nhất, lại rất gần thương cảng Hội An (Quảng Nam) cho nên hải sản quý hiếm như đồi mồi, hải sâm, ốc tai tượng… khai thác được ở Cù Lao Ré rất dễ tiêu thụ. Vị trí địa lý của vùng biển này khiến cho cư dân ở đây giỏi nghề đi biển, thông thạo luồng tuyến. Tài nguyên vô tận ở quần đảo Hoàng Sa chắc chắn đã có sức hấp dẫn, thu hút họ từ thuở mới vào đây mở cõi, lập nghiệp. Vì thế biên chế của đội Hoàng Sa chủ yếu được tuyển chọn ở đây và đảo Lý Sơn ngày trước được chọn làm điểm xuất phát của đội Hoàng Sa là tất yếu. Đội thuyền Hoàng Sa chạy nhanh bằng buồm khi biết lợi dụng sức gió. Từ Cù Lao Ré ra Hoàng Sa bằng thuyền đánh cá loại nhỏ nhưng chỉ chạy mất 3 ngày đêm. Thuyền nhỏ và nhẹ nên dễ dàng lạng lách qua các bãi đá ngầm, rặng san hô, tiếp cận được các tàu đắm, cập bờ đảo, chài lưới sinh sống dài ngày để hoàn thành nhiệm vụ khai thác, giao nộp đầy đủ sản phẩm cho Nhà nước.
Hàng năm, vào tháng 3 âm lịch, mùa biển lặng, có gió Tây Nam, đội Hoàng Sa khởi hành. Tháng 8, bắt đầu chuyển gió Đông Bắc, để tránh bão đội thuyền Hoàng Sa trở về đất liền, vào cửa Eo (cửa Thuận An) lên Phú Xuân giao nộp sản phẩm khai thác được cho chính quyền xứ Đàng Trong. Phạm vi hoạt động của đội Hoàng Sa rất rộng. Trong 6 tháng trời họ không chỉ loanh quanh ở một vài hòn đảo ở khu vực trung tâm mà đã vươn xa đến cụm đảo ở phía Bắc. Bằng chứng là có những lần thuyền của đội Hoàng Sa gặp gió lớn đã giạt vào đảo hải phận Quỳnh Châu của Trung Quốc.
Tiếp theo đội Hoàng Sa, đội Bắc Hải ra đời sau đó. Đội Bắc Hải chịu sự quản lý của đội Hoàng Sa, được phân công mở rộng khai thác vùng biển ở cuối quần đảo Trường Sa. Về sau đội Hoàng Sa còn được giao thêm việc đo đạc thủy trình, vẽ bản đồ, cắm mốc chủ quyền, trồng cây, lập am, miếu thờ trên các đảo. Vì nhiệm vụ ngày càng nặng nề nên từ năm 1816 vua Gia Long đã điều thêm lực lượng thủy quân phối hợp cùng với đội Hoàng Sa làm nhiệm vụ kiểm soát, bảo vệ và đo đạc hải trình ở quần đảo Hoàng Sa. Tàu thuyền lớn của thủy quân triều đình mỗi lần ra Hoàng Sa cũng đều tập kết ở đảo Lý Sơn và có sự giúp sức của những ngư dân giỏi nghề đi biển ở địa phương này.
Căn cứ sử liệu đội Hoàng Sa trở về qua cửa Eo và nộp sản vật ở Phú Xuân có thể khẳng định đội Hoàng Sa được thành lập và hoạt động từ thời chúa nguyễn Phúc Lan (1635-1648), hoặc thời chúa Nguyễn Phúc Tần (1648-1687). Lúc này chính Dinh của chúa Nguyễn không còn đóng tại Ái Tử (Quảng Trị) nữa mà đã được xây dựng ở Kim Long, rồi Phú Xuân (kinh thành Huế). Đội Hoàng Sa chấm dứt hoạt động từ năm nào cũng không được xác định rõ ràng. Chỉ biết rằng đầu thời Tự Đức (1848-1883) vẫn còn có văn tế sống đội Hoàng Sa lưu lại ở Cù Lao Ré. Quân nhân Hoàng Sa được tế sống trước khi xuất phát vì nhiệm vụ quá vất vả, nguy hiểm. Người dân vùng đảo Lý Sơn ngày nay vẫn còn đọc những câu ca dao: Chiều chiều ra ngóng biển xa/Ngóng ai như ngóng Hoàng Sa trở về; Hoàng Sa đi dễ khó về… Trong Việt sử cương giám khảo lược, do Nguyễn Thông viết năm 1877, cho biết đội Hoàng Sa đã bị bãi bỏ. Thông tin này có căn cứ, vì lúc này triều đình Huế đã không đủ sức quản lý lãnh hải rộng lớn, mà đang tập trung đối phó với quân đội Pháp gây chiến, xâm lược lãnh thổ trên cả khắp ba miền.