Александровский дворец был заложен в 1792 году и получил тогда название Нового Царскосельского. Его строили к женитьбе великого князя Александра Павловича (будущего императора Александра I). Он въехал сюда с супругой Елизаветой Алексеевной 12 июня 1796 года, строительство закончилось в мае того же года.
Александровский дворец построили по проекту итальянского архитектора Джакомо Кваренги. В отделке здания и перестройке интерьеров позже участвовали зодчие Руска, Макер, Черфолио, Тон, Стасов, Ефимов и другие. Со стороны регулярной части парка фасад был сделан в виде полуротонды, которую перекрывает сферический купол.
Оформлением дворцовых интерьеров руководили иностранные мастера Шпонгольц, Моклорд, Феррари. При этом во время посещения загородной резиденции Александр I любил отдыхать в Большом Царскосельском дворце. Александровский дворец приглянулся его брату и будущему императору Николаю I. Позже Александровский дворец был великокняжеской резиденцией будущего императора Александра III. В 1868 году в Александровском дворце родился последний русский император Николай II. Именно отсюда вместе со своей семьёй он отправился в ссылку в Тобольск 1 августа 1917 года.
В 1918 году во дворце открыли государственный музей, после здесь разместились Дом отдыха сотрудников НКВД и Детский дом имени Юных Коммунаров. В начале Великой Отечественной войны отсюда вывезли часть мебели, фарфоровые и мраморные изделия, ковры и люстры, но, в основном, имущество дворца было оставлено. Фашисты устроили в здании тюрьму, гестапо, немецкий штаб. На площади перед дворцом они хоронили солдат войск СС.
После ВОВ здание отдали Академии наук СССР, затем — Военно-морскому ведомству. В 1996 году началась реставрация Александровского дворца за счёт гранта Всемирного фонда памятников (WMF). В сентябре 2015 года музей закрыли для проведения реставрации, которую планируется закончить к середине 2018 года.
