Первое оборонительное сооружение на этом месте было построено русскими князьями в XI веке. В XIII веке Гродно вошло в состав Великого княжества Литовского, а в 1391 году Старый замок стал одной из главных резиденций Витовта, который в 1398 году вместо деревянной крепости построил каменный готический замок с пятью башнями.
Около 1580 года по инициативе короля Стефана Батория замок был перестроен в стиле ренессанса. Спустя примерно полвека, во время русско-польской войны 1654—1667 годов, замок был полностью разрушен русскими войсками.
По прошествии некоторого времени канцлер литовский и староста гродненский Кшиштов Сигизмунд Пац отстроил замок заново. Однако в начале XVIII века замок был сожжён шведами во время Северной войны и больше уже никогда не имел прежнего значения.
Во время русско-польской войны в середине 17 в. дворец был значительно поврежден. После перестройки он приобрел барочный декор. Дворец продолжал исполнять роль королевской резиденции, а к тому же стал местом проведения генеральных сеймов Речи Посполитой, которые прошли в нем в 1678, 1688 и 1699 годах. После разрушений, полученных во время Северной войны и пожара 1735 года, дворец вновь был перестроен. Саксонский архитектор Карл Фридрих Пепельман проводит коренную перепланировку: внешняя лестница заменяется на внутреннюю, уменьшаются окна, здание пулучило четырехскатную крышу. Теперь тут размещается хозяйсвтенные службы и часть свиты короля. Дальнейшее упрощение архитектуры дворца произошло в 19 в.: с фасадов окончательно исчез декор и был надстроен дополнительный объем над бывшим столовым залом. На протяжении порядка 120 лет Старый замок принадлежал военному ведомству российской империи, а в 1924 году был передан гродненскому историко-археологическому музею.