В XI–XIII веках на месте сегодняшней деревни, примерно в 300 метрах от деревни, находилось городище железного века, принадлежавшее волынянам. В XI веке на указанной территории предположительно находилось поселение Здитов, принадлежавшее Турово-Пинской епархии и, следовательно, княжеству.
Известно в письменных источниках с 1793 года, в Хомском графстве, Брестского воеводства, Великого княжества Литовского. Было 8 дворов и 45 жителей.
С 1795 года в составе Российской империи, в Кобринском уезде Слонимского наместничества, с 1797 года в Литовской губернии, с 1801 года в Гродненской губернии.
Деревня на карте Шуберта 1832 года:
Также на военно-топографической карте Российской империи 1846–1864 годов:
В 1858 году в Хомской волости, Кобринского уезда, деревня Старомлыны-1, входившая в Заелениевское сельское общество, принадлежала Хомскому имению помещика Пусловского и насчитывала 76 жителей. Старомлыны-2 в Гошевском сельском обществе принадлежали имению Стрыгинских и насчитывали 36 жителей.
В архиве РГИА есть две записи, упоминающие нашу деревню:
Третий (апелляционный) департамент Сената. Пусловский с крестьянами деревни Старомлыны о земле и убытках.
Второй (крестьянский) департамент Сената. О включении во владельческую запись крестьян деревни Старомлыны Ф. Хоружего, М. левича и других земельных участков в урочищах Окол, Сосновка и других. Гродненская губерния, Кобринский уезд.
В 1905 году в Старомлынах-1 проживало 194 человека, а в Старомлынах-2 — 81 человек.
Деревня на одноверстной карте:
Также на трёхверстной карте:
С 1921 по 1939 год входила в состав Польши, в Хомскую гмину, Дрогичинский повет, Полесское воеводство. В 1921 году насчитывалось 20 дворов и 149 жителей.
Деревня на польской карте WIG:
Также на немецкой военной карте kdwr:
С 1939 года в составе БССР, в Хомской волости, Дрогичинского района, Пинской области. Было две деревни, Старомлыны-1 и Старомлыны-2, с 70 дворами и 323 жителями.
С 5 января 1940 года в Дрогичинском районе, Пинской области. С 12 октября 1940 года в Хомском сельсовете, была начальная школа.
Деревня на карте РККА:
В годы Великой Отечественной войны на фронте и в партизанской борьбе погибло 12 жителей деревни.
С 1954 года в составе Брестской области. В 1959 году в деревне Старомлыны-1 насчитывалось 137 жителей, в Старомлыны-2 — 130 жителей. В 1970 году в Старомлынах — 207 жителей.
В 1995 году — 44 двора и 95 жителей. До 2004 года входила в состав колхоза «Кирова».