后金天命十年（1625年）三月，后金汗努尔哈赤将都城从东京迁移至明沈阳中卫城，同年开始在沈阳中卫城中心部位偏东南角的位置修筑宫殿[1]，即现存的大政殿和十王亭。这组建筑主要是作为理政和朝贺的场所，努尔哈赤居住的寝宫在原沈阳城的北门——安定门。

1626年，皇太极继承后金汗位。从1631年起，用5年的时间对盛京城和皇宫进行改建。他在其原来王府的基础上修建新的大内宫殿，并将原沿袭自沈阳中卫城的十字形街道系统改为井字形街道系统，从而将皇宫置于城池的中央[2]。

1636年，皇太极在此去汗号称帝，改国号为清 ，对沈阳宫殿各主要建筑分别正式命名：“定宫殿名，中宫为清宁宫、东宫为关雎宫、西宫为麟趾宫、次东宫为衍庆宫、次西宫为永福宫、台东楼为翔凤楼、台西楼为飞龙阁、正殿为崇政殿、大门为大清门、东门为东翼门、西门为西翼门、大殿为笃恭殿”[3]。此后又在大清门前东、西两侧分别建文德坊、武功坊两座牌坊，因坊心有“崇德二年孟春吉日立” ，可知建成于1637年。这也是清入关前唯一有确切年代记载的宫殿。

顺治元年八月二十日，清世祖离开盛京前往北京。在清朝入关定都北京后，沈阳故宫失去了作为皇宫的地位，成为陪都行宫。康熙帝和乾隆帝东巡祭祖期间，曾在此居住。乾隆四十六年，即1780年，增建了西路建筑，包括戏台嘉荫堂和用于储藏四库全书的文溯阁，并在中路修建了东所、西所和盛京太庙。以及对某些入关前宫殿的局部进行改造，其中比较重要的一处是崇政殿，因皇帝东巡时在此举行典礼，但殿内屏风宝座等均系皇太极时遗留，不便使用，所以乾隆皇帝命重新制作。乾隆九年，又命于殿前增设日晷、嘉量。文溯阁等西路宫殿建成后，直到终清之时这里的建筑未再有明显变化。

辛亥革命后，根据《清皇室优待则例》条文规定，宗庙陵寝及皇室私产受中华民国特别保护，1914年政府將熱河避暑山莊和瀋陽故宮的文物移至紫禁城外廷集中保管，並成立古物陳列所（文物置於今台北國立故宮博物院）開放參觀。奉天皇宫也专设机构进行管理。1924年10月23日，冯玉祥发动“北京政变”废除皇帝尊号，将溥仪赶出紫禁城，奉天皇宫收归为政府所有。不久决定在奉天故宫旧址内设立“东三省博物馆” 。自1926年开始，中经抗日战争时期，至中华人民共和国建国前夕，这里先后建有盛京博物馆、奉天故宫博物院、国立沈阳博物院。

1931年柳条湖事件后，日本关东军占领沈阳。1934年，日军在沈阳故宫西南角，即今沈阳故宫停车场处建有“大满洲国帝政纪念塔”。日军当时最早在长春建了座“大满洲国帝政纪念塔”（位于今长春新发广场），沈阳故宫的纪念塔采用了该塔的图纸建造。抗日战争胜利后，沈阳故宫的纪念塔被拆除[4]。

1955年，成立沈阳故宫博物馆。1961年中华人民共和国国务院将沈阳故宫列为全国重点文物保护单位。1986年，沈阳故宫博物馆改名为沈阳故宫博物院。2004年，沈阳故宫作为北京故宫的扩展项目被联合国教科文组织列为世界文化遗产。

2017年，沈阳故宫博物院被中国博物馆协会评为第三批国家一级博物馆[5]。

2020年11月16日，沈阳故宫開設古钟表联合修复室[6]。