Kaali mõis (saksa k Sall) tekkis 16. sajandi keskpaigas Saaremaa ühe tähtsaima ja samas ka mõistatusliku vaatamisväärsuse — Kaali meteoriidikraatri — kaguküljele. Et kõrgete vallide vahel paiknev sajameetrise läbimõõduga sügav järv on tekkinud taevast langenud meteoriidi löögist, selgus alles 1937. aastal uuringute käigus. Kaalist sai siis Euroopa esimene tõestatud meteoriidikraater.

Millal meteoriit Kaalisse kukkus, ei ole päris täpselt teada; arvamusi on mitmeid. Seni arvati, et see juhtus mitmed tuhanded aastad enne Kristust. Viimased uurimistööd on aga näidanud, et see sündmus leidis tõenäoliselt aset palju hiljem, arvatavasti kusagil 400 aastat enne Kristust. Igal juhul on tegemist Euroopa ühe hiliseima ja väljapaistvama meteoriidikraatriga. Säilinud rahvapärimus rahvalaulude, muistendite jm näol lubab igatahes väita, et meteoriit kukkus asustatud Saaremaale. On koguni arvatud, et Kaali meteoriidi ja Saaremaaga võib siduda Vana-Kreeka maadeuurija Pythease poolt 4. sajandil enne Kristust külastatut ning kirjapandut, kus ta pajatab Päikese pojast Phaetonist, kes kukkus maa peale.

Hiljem paiknes Kaali kraatri ringvallil tõenäoliselt muistne pühapaik. Kogu järv piirati seetõttu laia ja kõrge kivimüüriga. Kaalit kasutati tollal arvatavasti ka ohverdamispaigana. Üsna tõenäoliselt on Kaali meteoriidikraater andnud nime Püha kihelkonnale. Arvatavasti oli Kaali sündmus ka põhjuseks, miks Saaremaa kujunes 13.-14. sajandil kristliku maailma üheks külastatavaimaks palverännupaigaks — pärimus, et seal on toimunud muistsetel aegadel midagi erakordset, levis ju põlvest põlve.

Alates 16. sajandist kuni 1729. aastani kuulus Kaali mõis von Gahlenitele. Koha eestikeelne nimi Kaali on vaieldamatult tollaste omanikega seotud, ainult et seni ei ole lõplikult selge, kumb on kummale nime andnud. Hiljem vahetas mõis mitmeid omanikke, kuni ta 1856. aastal siirdus von Moellerite omandusse, kelle kätte ta jäi kuni 1919. aasta võõrandamiseni. Mõisa viimane omanik oli Konrad von Moeller.

Mõisa peahoone ehitati ühekorruselise lihtsa kiviehitisena 18.-19. sajandi vahetuse lähikonnas. 1860tel aastatel ehitati hoone ümber esinduslikus neogooti stiilis, mil lisati kahekorruseline keskosa ning hulk pealeehitusi, kõik neist kaunite liigendatud astmikviiludega. Kraater muutus mõisapargi osaks. Mõisapargis paikneb meteoriidikraatrit tutvustav muuseumipaviljon.

Võõrandamisjärgselt kolis mõisahoonesse kool. 1936. aastal ehitati hoone tundmatuseni ümber funktsionalistlikuks karpmajaks kooli vajadusi silmas pidades. Praktiliselt ehitati vanale vundamendile uus hoone. Ka mõisa kõrvalhoonetest on säilinud suhteliselt vähe.

Saaremaale Püha kihelkonda kuulunud mõis jääb kaasajal Pihtla valla territooriumile.