Дворец светлейшего князя А. Д. Меншикова был заложен в 1711 году по проекту архитектора Франческо Фонтана (в литературе ХХ века его ошибочно называют Джованни Марио Фонтана). С 1716 года строительством дворца руководил И. Ф. Браунштейн. В это время был закончен центральный корпус и два боковых изогнутых крыла, развернутых к Финскому заливу. В 1719 году на оконечностях боковых крыльев были возведены мощные башни-павильоны, возможно, по проекту Ж.-Б. Леблона. В одном из павильонов должен был находиться большой зал, в другом — дворцовая церковь. Несколько позднее к западному павильону был пристроен кухонный флигель. Одновременно со строительством дворца был разбит Нижний сад.
После падения А.Д. Меншикова дворец был передан Канцелярии от строений, а в 1736 году — Адмиралтейств-коллегии для устройства госпиталя.
В 1743 году Ораниенбаум был пожалован наследнику престола великому князю Петру Федоровичу. В 1748—1755 годах производилась реконструкция дворца под руководством Ф. Б. Растрелли. В это время был возведен восточный Кавалерский флигель, параллельный западному, появился южный парадный двор; во дворце сооружена парадная лестница, а в восточном павильоне устроен «Эрмитаж». К 1751 году относится создание ажурной ограды Нижнего сада. В царствование Екатерины II архитектор А. Ринальди перестраивал лестницы и террасы перед дворцом.
Дворцовые интерьеры неоднократно перестраивались в XIX — начале XX вв. В советское время во дворце располагались различные учреждения. В 1934 году был разобран уникальный иконостас дворцовой церкви (утерян во время Великой Отечественной войны). В 1995 году дворец был передан в ведение музея-заповедника «Петергоф». В 2011—2012 годах после многолетней реставрации для посетителей были открыты 14 залов дворца.