Das Alte Schloss wurde 1695-99 nach Plänen von Johann Arnold Nehring für die spätere Königin Sophie Charlotte unter dem Namen Lietzenburg im Stil des italienischen Barocks errichtet. Bauleiter war Martin Grünberg. 1702-13 wurde der Corps de logis von Johann Friedrich Eosander von Göthe zur Dreiflügelanlage erweitert, mit Turm, Kapelle und Orangerie. Nach dem frühen Tod Sophie Charlottes 1705 erhielt das Schloss den Namen Charlottenburg, und die Ansiedlung erhielt unter dem gleichen Namen Stadtrechte, 1740-46 errichtete Georg Wenzeslaus von Knobelsdorff den Neuen Flügel. 1787-91 wurde der Orangerietrakt durch den Theaterbau von Carl Gotthard Langhans verlängert. 1790 wurde die Kleine Orangerie parallel zum Eosanderflügel, vermutlich von Georg Friedrich Boumann, errichtet. Heute ist darin ein Restaurant untergebracht.
Nach ihrer Hochzeit mit Friedrich Wilhelm III. 1793 wurde Schloss Charlottenburg einer der Lieblingsorte der Kronzprinzessin und seit 1797 Königin Luise. Am 26. Oktober 1806 zog Kaiser Napoleon I. in das Charlottenburger Schloss ein und bewohnte die Zimmer der Königin Luise. Außenminister Wilhelm von Zastrow verhandelte hier mit ihm ein Waffenstillstandsabkommen. Nach der Rückkehr aus Königsberg nach Berlin am 23. Dezember 1809 bewohnte Luise wieder ihre Appartements im Charlottenburger Schloss. Nach dem frühen Tod Luises 1810 errichtete Heinrich Gentz unter Mitwirkung Karl Friedrich Schinkels nach Vorstellungen Friedrich Wilhelms III. im Schlossgarten am Ende einer dunklen Tannenallee ihr tempelartiges Mausoleum. 1813 wurde hier der von Christian Daniel Rauch geschaffene Marmorsarkophag mit der darauf liegenden Statue Luises aufgestellt. Später kamen die Sarkophage Friedrich Wilhelms III., Kaiser Wilhelms I. und Kaiserin Augustas hinzu. 1824 ließ sich Friedrich Wilhelm
III. östlich des Neuen Flügels an der Spree nach Plänen Schinkels den Neuen Pavillon errichten. Im Frühjahr 1888 bewohnte der bereits todkranke Kaiser Friedrich III mit seiner englischen Frau Victoria das Schloss Charlottenburg.
1927 wurde das Schloss als Museum zur Besichtigung eröffnet. 1943-45 wurden die Schlossgebäude durch Bombenangriffe schwer beschädigt. Schlösserdirektorin Margarete Kühn setzte durch, dass sie in den folgenden Jahren bis 1962 wieder hergestellt wurden. Die Rekonstruktion im Inneren dauerte bis zum Ende der 70er Jahre.