贞观八年(634年），监察御史马周以太极宫地势低洼，夏季湿热难耐为由，上奏修建一座“以备清暑”的新宫给太上皇李渊，“称万方之望，则大孝昭乎天下”，唐太宗欣然批准，宫址择定龙首原，定名“永安宫”。次年，更名为“大明宫”。传说秦时有一块镜子，能照出人的五脏六腑，亦能分辨出忠奸善恶，“色带金铜眩怪青，照人心胆已曾灵。”修建“永安宫”时，挖出了这块“明镜”，遂更名为“大明宫”。又说，《诗经·大雅》中的《大明》篇载：“文王有明德，故天复命武王也。文王，武王相承，其明德日以广大，故曰大明。”贞观九年（635年），李渊病逝，大明宫搁置停建。龙朔二年（662年），“高宗染风痹，恶太极宫卑下，故就修大明宫。”朝廷划拨延、雍、同、岐、幽等十五个州赋税，还停发长安各级官员一个月俸禄，征集数以万计的能工巧匠，“命征盘石之匠、下荆杨之材、操斧执斤者万人。涉碛砾而登崔嵬，择一干于千木，规大壮于乔枚。声坎坎于青云，若神培而颠摧。”耗时十个半月至翌年四月基本建成。
大明宫由南向北呈阶梯状，东西1.5公里，南北2.5公里，面积约3.2平方公里，宫墙周长为7.6公里，共有九座城门。南面正中为“国门”丹凤门，东西长60余米，南北宽20余米，有五个门道，气势雄伟，唐朝的皇帝大都在此颁布诏令，两侧分别为望仙门和建福门。东面为左银台门。西面南北分别为右银台门和九仙门。北面正中为玄武门，两侧分别为银汉门和青霄门。在宫城的东西北三面筑有与城墙平行的夹城，东西两侧分别驻有禁军，承担着宫城的安全保卫任务，北门夹城内设立了禁军的指挥机关“北衙”。整个宫城分为前朝和内庭两部分，含元殿、宣政殿、紫宸殿等组成前朝的南北中轴线。大明宫的正殿为含元殿，“含宏光大，元亨利贞”，可以俯瞰整个长安城，每年的正月初一，皇帝都要在这里举行盛大的朝贺仪式，各国的使者也争相献上各类奇珍异宝。“九天阊阖开宫殿，万国衣冠拜冕旒。”含元殿西北侧，引龙首渠之水注入凿地所造之“太液池”，分为东池、西池，集蓄水、排洪、生活用水功能于一池，以土石堆积瀛洲、蓬莱、方丈三岛。以太液池为中心组成内庭，分布着麟德殿、三清殿、大福殿、清思殿等数十座殿宇楼阁，“玉阶三重镇秦野，金殿四墉抚周原。平楼半入南山雾，飞阁旁临东野春。”
龙朔三年(663年)，唐高宗和皇后武则天移居大明宫，并改名“蓬莱宫”。麟德元年(664年)十月，武则天密将道士郭行真召入宫中，“尝为厌胜之术”，被宦官王伏胜发现，予以告发。高宗听后大怒，当即将宰相上官仪召入宫中，商议对策。上官仪说：“皇后专恣，海内所不与，请废之。”唐高宗令上官仪起草废后诏书。武则天得知后突然来到高宗寝殿“自诉”，高宗“羞缩不忍，复待之如初”，谎称：“我初无此心，皆上官仪教我。”于是，武则天唆使心腹许敬宗等诬告上官仪和王伏胜“谋大逆”，罪在不赦。十二月，上官仪被捕入狱，与其子上官庭芝、王伏胜同时被杀，籍没其家。“自是上每视事，则后垂帘于后，政事大小，皆与闻之。天下大权，悉归中宫，黜陟、杀生，决于其口，天子拱手而已，中外谓之‘二圣’”
“咸亨元年（670年）春，正月，丁丑，右相刘仁轨请求退休，得到允许。三月，甲戌朔，因旱灾，大赦天下，改元。丁丑，将蓬莱宫改名为含元宫。”咸亨元年，唐朝的一些地方遭遇了严重的干旱。三月，唐高宗改年号为咸亨并改蓬莱宫为含元宫。四月，吐蕃国占领了大唐在西域的十八个州和安西四镇，唐高宗任命右卫大将军薛仁贵为逻娑道行军大总管，左卫员外大将军阿史那道真、左卫将军郭待封为副将，讨伐吐蕃并援助吐谷浑回归故地。与此同时，高丽国酋长剑牟岑叛乱，唐高宗派左监门大将军高侃为东州道行军总管，发兵讨伐。八月，郭待封先前与薛仁贵并肩作战，征讨吐蕃时，耻于位居其下，薛仁贵所言，郭待封多违抗。军队抵达大非川，将前往乌海，薛仁贵建议留下二万人，在大非岭上构筑两座营寨，全部物资都置于营寨内，自率轻骑，迅速行军，突袭吐蕃，必能取胜。薛仁贵自率部前进，在河口与吐蕃交战，大破之，斩获甚众，驻军乌海等待郭待封。郭待封不采纳薛仁贵之策，带着物资缓慢前进，未到乌海，便遭遇吐蕃二十多万大军，郭待封军大败，逃走，全部物资丢弃。薛仁贵退驻大非川，吐蕃将领论钦陵率兵四十多万进攻唐军，唐军大败，死伤殆尽。薛仁贵、郭待封与阿史那道真得以逃脱，与吐藩议和后返回。唐高宗敕令大司宪乐彦玮在军中调查败状，将三人拘捕送至京师，三人皆免死除名。九月，丁丑，唐高宗诏令明年正月前往东都洛阳。甲申，皇后武则天之母鲁国忠烈夫人杨氏去世，唐高宗敕令文武九品以上及外命妇均前往吊唁。武则天因旱灾长期求雨，请求退位，未获批准。
690年九月初九，武则天改唐为周，尊号圣神皇帝，成为中国历史上第一位女皇帝。长安元年(701年）十一月戊寅，武则天“改含元宫为大明宫”，并一直沿用至今。长安二年九月十八日，吐蕃器弩悉弄赞普派遣大臣论弥萨，来到长安“求和”。十九日，武则天在大明宫“宴论弥萨于麟德殿”，并“奏百戏于殿庭。论弥萨曰：“臣生于边荒，由来不识中国音乐，乞放臣纵观。”武则天许之。于是论弥萨等相视笑忭拜谢曰：“臣自归投圣朝，前后礼数优渥，又得亲观奇乐，一生所未见。自顾微琐，何以仰答天恩，区区褊心，唯愿大家万岁。”十二月戊申，置北庭都护府于庭州(治今新疆吉木萨尔北破城子)。安西都护府和北庭都护府的设置，加强了唐对西域的统治和开发，增进了汉、藏两族人民之间的友好交往。长安三年初，武则天又在大明宫麟德殿宴见了日本国第七次遣唐使者朝臣真人(亦称粟田真人)一行。由于粟田真人“好读经史，解属文，容止温雅”，武则天为其“授司膳卿，放还本国”。
大明宫是唐长安城“三大内”中规模最大的一座，称为“东内”，也是当时世界上面积最大的宫殿建筑群，其面积相当于3个凡尔赛宫、4.5个故宫、12个克里姆林宫、13个卢浮宫、15个白金汉宫。自唐高宗起，先后有17位皇帝在此处理朝政，历时达200余年。唐昭宗乾宁三年（896年），大明宫毁于唐末战乱，“含元殿上狐兔行，花萼楼前荆棘满。”
2007年10月，西安正式启动大明宫遗址区保护改造项目。2010年10月1日，大明宫国家遗址公园正式开园迎客。2014年6月22日，在卡塔尔多哈召开的联合国教科文组织第38届世界遗产委员会会议上，唐长安城大明宫遗址作为中国、哈萨克斯坦和吉尔吉斯斯坦三国联合申遗的“丝绸之路：长安—天山廊道的路网”中的一处遗址点成功列入《世界遗产名录》。2020年12月29日，文化和旅游部公布大明宫国家遗址公园为国家5A级旅游景区。
