استغرق بناء قصر القبة في عهد الخديوي إسماعيل 6 سنوات، إذ بدأ العمل في إنشائه عام ١٨٦٧ وانتهى أواخر ١٨٧٢، وافتتح القصر رسميا في يناير عام ١٨٧٣ في حفل زفاف الأمير «محمد توفيق» ولي عهد الخديوي إسماعيل، ليرتبط القصر فيما بعد بحفلات الزفاف والأفراح الأسطورية للعائلة الملكية، إذ أحد أهم القصور الملكية في عصر أسرة محمد علي باشا، لأنه من أكبر القصور الملكية من حيث المساحة، حيث تصل مساحته إلى ١٩٠ فدانًا تقريبًا.

 وسُمي القصر بهذا الاسم  نسبة إلى مبنى قديم من عصر المماليك يُعرف بمبنى القبة، حيث أحاطت به بحيرة مائية كانت مقصدًا لكثير من أبناء العائلات الكبيرة والطبقة الراقية وقتها للصيد والتنزة، وتضم حدائق القصر مجموعة نادرة من الأشجار والنباتات ترجع إلى عهد الخديوي إسماعيل.

وشهد القصر خلال فترة حكم الخديوي توفيق أكبر حفلات الزفاف الملكية، وخلال فترة حكم عباس حلمي الثاني من 1892 إلى 1914 صار القصر وحدائقه مضاهيا لقصر عابدين الرسمي.

وعندما اعتلى فؤاد الأول عرش مصر في 1917 صار القصر مقر الإقامة الملكية الرسمي، وخلال فترة إقامته فيه أمر بعدة تغييرات على القصر، حيث أمر بإضافة سور بارتفاع 6 أمتار حول 75 إكرا من الأراضي وبوابة جديدة وحديقة خارجية.

وأضيفت محطة سكة حديد خاصة بالقطار الملكي، حيث كان الزوار يأتون مباشرة سواء من الإسكندرية أو من محطة مصر المركزية للقطارات في القاهرة. وتوفي فؤاد الأول في هذا القصر، وقام الملك فاروق بالقاء أولى خطبه عبر الإذاعة المصرية في 8 مايو 1936 من هذا القصر وذلك إثر وفاة والده فؤاد الأول.

بعد ثورة يوليو 1952، صار القصر أحد القصور الرئاسية الثلاث الرئيسية في مصر، وقد كان الرئيس جمال عبد الناصر يستقبل الزوار الرسميين فيه، كما سجي جثمانه هناك بعد وفاته انتظارا لجنازته في تاريخ 1 أكتوبر 1970.