Az épület eredetileg nem védelmi célokra, hanem birtokközpontnak, nyaralónak, vadászkastélynak készült. A várkastélyon nyoma van mind a gótika, reneszánsz, barokk és a romantika stílusjegyeinek is. Ez az egyetlen magyarországi vár, melyet az eredeti vízárok-védelmi rendszer övez. A várat a tóparti sétányon is körbe lehet járni.

A vár építésének kezdeteiről nem maradtak fenn írásos emlékek, de feltételezik, hogy mivel Tata ekkori urának, Lackfi Istvánnak, Luxemburgi Zsigmond 1397-ben elkobozta birtokait és ekkor került Tata is a korona uralma alá, Zsigmond a Lackfiak által emelt L alakú, zárt udvarú kis vár alapjait használta fel és alakíttatta át azt királyi palotává. Zsigmond 1426-ban a Rozgonyiaknak zálogosítja el, de ők nem építették tovább, inkább elhanyagolták.

A vár Mátyás Király uralkodása alatt, 1467-ben került vissza királyi birtokba. Mátyás nagyarányú építkezésbe kezdett Tatán, melynek eredményeként igazi reneszánsz palotává alakította a várat: tóparti teraszt és udvari kerengőt építve hozzá. Növelte a vár védelmi képességeit is: kerítőfallal, új toronnyal és vizesárokkal látta el. Mátyás halála után rövid ideig Corvin Jánosé volt a vár, majd eladta II. Ulászlónak, akinek kedvelt vadászó helye lett, sőt 1510-ben itt tartotta meg az országgyűlést is, de érdemi építkezéseket nem hajtott végre.

A mohácsi csata után a portyázó török csapatok a várat és a várost is támadták és feldúlták. A vár később Ferdinánd kezén marad 1529-ig, amikor a Bécs felé vonuló Szulejmán csapatai elfoglalják, majd átadják azt Szapolyainak. 1546-tól már ismét magyar helyőrség állomásozott benne. 1551. augusztus 10-én Kászim budai pasa a mintegy 10 ezer fős hadával körülzárta, de elfoglalni nem tudta. Végül 1558. május 17-én, egy meglepetésszerű éjjeli támadás során a törökök Hamza fehérvári bég vezetésével elfoglalták, a tatai védőket mind levágták. 1566 júniusában a keresztény seregek visszafoglalják Thury György vezetésével, ekkor kezdődik meg a vár korszerűsítése Süess Orbán vezetésével 1568-1577 között. Ennek során épültek meg olasz rendszerű bástyái: a déli Ferrando-bástya, az északkeleti Rosenberg-bástya és az északi Kecske-bástya. A palota három tornyát is ekkor bontották vissza védelmi okokból. A törökök 1594-ben újból bevették, de Pálffy Miklós 1598-ban ismét elfoglalta. 1605-ben az őrség kaput nyit Bocskai hadai előtt. 1620 szeptemberében Bethlen Gábor 3000 katonája előtt önként nyit kaput Tata vára is. Egészen az 1622-es nikolsburgi békéig Bethlené a vár. Az 1620-as évek közepén helyreállították a várat és 1646-ig a várkapitányok zálogbirtoka volt, majd III. Ferdinánd Csáky László grófnak adományozta. Családjának kihalását követően a tatai várbirtok újra királyi kézbe került 1697-ben. 1683-ban a Bécs ellen vonuló Kara Musztafa nagyvezír Thököly kurucaival együtt elfoglalja a várat és felrobbantja. A keresztények 1685-ben foglalják vissza.

I. Lipót 1702-ben Tatát is le akarta romboltatni, de a kitörő Rákóczi-szabadságharc megakadályozta ebben. 1704-1705 között a vár kuruc kézen volt, de 1707-ben Rabutin csapatai visszafoglalták és felgyújtották. 1717-ben Krapf Ferenc József kapta meg a romos, düledező várat szolgálati jutalomként. 1727-ben Tata az Esterházyaké lett és egészen 1945-ig maradt a család tulajdonában.

A vár mai képe az 1815-ben kezdődött, Charles Moreau tervei alapján romantikus stílusban történt átépítés eredménye: az eredetileg nyitott kerengő átalakításával épült ki a jelenlegi ún. Lovagterem Ekkor készült el, Schmidt Frigyes tervei szerint a neogótikus, tóparti homlokzat is. A második nagy átépítés során, az 1897-es császári hadgyakorlatra készülve készítették a terem historikus- romantikus, háromosztású neoromán ablaksorát. Az eredeti állapotában négy saroktornyos épületnek mára csak a keleti tornya áll, az udvari főbejárattól a romterületen láthatóak a vár négy saroktornyának és az azokhoz csatlakozó palotaszárnyaknak az alapfalai. A várkastélyt három sarkán olasz bástyás, a negyediken körbástyás vízivár veszi körül.

1954 óta a várban működik a Kuny Domokos Megyei Múzeum. 1964–73 között zajlott az épület ásatása és műemléki helyreállítása.