Tháng 7 năm 1820, Quốc Sử quán bắt đầu được xây dựng và hoàn tất sau đó 1 tháng, tọa lạc tại phường Phú Văn trong Kinh thành Huế (nay thuộc phường Thuận Thành, thành phố Huế). Sau đó nửa năm, vua Minh Mạng cho xây dựng và cải tạo lại hai dãy nhà bên tòa nhà chính thành nơi làm việc của quan lại, đồng thời ở cổng chính cho dựng hai tấm bia "Khuynh cái hạ mã" ở hai bên. Tới ngày 5 tháng 6 năm 1821, vua Minh Mạng cho làm lễ khai mạc Quốc sử quán tại điện Cần Chánh và chính thức đưa nó vào hoạt động.[1]

Đến tháng 11 năm 1841, Quốc Sử Quán có thêm hai tòa nhà phụ nữa nằm ở hai bên do vua Thiệu Trị xây: tòa nằm bên trái dành cho các toản tu tên là Công thự, bên phải dành cho các biên tu tên là Giải vũ đài. Tháng 10 năm 1857, vua Tự Đức cho xây thêm Tàng bản đường nằm ở phía sau tòa nhà chính để đáp ứng nhu cầu chứa các tài liệu biên soạn và in ấn. Đến tháng 2 năm 1884, một dãy nhà ngói 7 gian 2 chái được xây thêm để dùng cho việc viên soạn Đại Nam thực lục chính biên kỷ thứ tư.[1]

Năm 1890, một số nhà quan tản cư được sửa chữa, đồng thời cho đóng thêm một số tủ gỗ sơn son để lưu trữ tư liệu và sách vở. Đến thời vua Thành Thái, một số tòa nhà phụ được tu bổ lại. Năm 1902, hầu hết Quốc sử quán được trùng tu lại. Sau cách mạng tháng Tám năm 1945, Quốc sử quán ngưng hoạt động hoàn toàn.[1]