Początki zamku związane są z powstaniem w XII wieku kasztelanii lubelskiej. W XIII wieku za czasów Kazimierza Sprawiedliwego został wzniesiony na wzgórzu gród umocniony drewniano-ziemnym wałem. W pierwszej połowie XIII w. z inicjatywy w obrębie górnej części zamku wybudowano murowaną wieżę obronno-rezydencjonalną (donżon, stołp). Jest to cenny zabytek sztuki zachowany do dzisiaj i najstarszy zachowany murowany budynek na Ziemi Lubelskiej. Część badaczy jako inicjatora budowy wieży w Lublinie widzi księcia Bolesława Wstydliwego lub Władysława Łokietka. W 1342 roku wieża została podwyższona przez Kazimierza Wielkiego. Wieża utwierdziła lokalizację średniowiecznego założenia i dała początek murowanej zabudowie zamku.

W XIV wieku, za panowania Kazimierza Wielkiego, wzniesiono murowany zamek otoczony murem obronnym. Wówczas też, najprawdopodobniej, powstał gotycki kościół zamkowy pod wezwaniem Trójcy Świętej, który pełnił funkcję kaplicy królewskiej.

Z fundacji Władysława Jagiełły gotyckie wnętrza kaplicy pokryto malowidłami bizantyńsko-ruskimi. Prace ukończono w 1418 roku. Dzięki malowidłom, zachowanym do czasów współczesnych, Kaplica Trójcy Św. stanowi wybitny zabytek w skali międzynarodowej.

Zamek, leżący na królewskim szlaku z Krakowa do Wilna, cieszył się zainteresowaniem i opieką Jagiellonów. Tu, pod kuratelą Jana Długosza, wychowali się synowie Kazimierza Jagiellończyka. Około 1520 r. Zygmunt Stary zapoczątkował przebudowę zamku na okazałą rezydencję królewską, zatrudniając m. in. włoskich mistrzów sprowadzonych z Krakowa.

W 1569 roku w murach zamku obradował sejm, na którym podpisano akt unii polsko-litewskiej – unię lubelską.

W XVII wieku, w wyniku wojen, zamek uległ zniszczeniu. Ocalały jedynie najstarsze budowle – kaplica i donżon.

W latach 1824-1826, z inicjatywy S. Staszica i wg projektu S. Stompfa, wzniesiono na wzgórzu nową budowlę w stylu neogotyku angielskiego, przeznaczoną na więzienie kryminalne Królestwa Kongresowego. Funkcję więzienia zamek pełnił przez 128 lat.

W latach 1831-1915 było tu więzienie carskie, głównie dla uczestników walk o niepodległość, m. in. powstańców styczniowych 1863 roku.

W okresie 1918-1939 obok więźniów kryminalnych odbywali tu karę członkowie ruchu komunistycznego, działający przeciw państwu polskiemu.

Druga wojna światowa i okupacja (1939-1944) to okres funkcjonowania więzienia hitlerowskiego, przez które przeszło 40.000 osób, głównie członków ruchu oporu. Duża część więzionych zginęła w egzekucjach i obozach śmierci. 22 lipca 1944 r., przed opuszczeniem Lublina, hitlerowcy dokonali masowego mordu 300 więźniów zamku.

Po wyzwoleniu spod okupacji hitlerowskiej, w sierpniu 1944 roku, zorganizowano na zamku polityczne więzienie karno-śledcze, podległe władzom sowieckim, a następnie Urzędowi Bezpieczeństwa Publicznego. W latach 1944-1954 więziono tu około 35.000 Polaków, przeciwstawiających się komunistycznemu zniewoleniu. Spośród 515 wydanych wyroków śmierci życie straciło 333 osoby.

Po likwidacji więzienia w 1954 r. i przeprowadzeniu prac remontowych zamek przeznaczono na cele kultury. Od 1957 roku jest siedzibą główną Muzeum Lubelskiego, założonego w 1906 r.