Αρχικά το Σενμπρούν ήταν ένα μικρό κτίσμα, που δημιουργήθηκε το 1570 ως βασιλικό κυνηγετικό περίπτερο (Jagdschloss) από τον Μαξιμιλιανό Β΄, ενώ ο γιός του, αυτοκράτορας Ματθίας φρόντισε το 1612 για την επέκτασή του και λέγεται πως ήταν αυτός, που του χάρισε τη σημερινή του ονομασία. Το κτίσμα εκείνο καταστράφηκε σε μεγάλο βαθμό κατά τη Δεύτερη πολιορκία της Βιέννης από τους Οθωμανούς το 1683.
Η κατασκευή ανακτόρου στη θέση αυτή άρχισε από τον αυτοκράτορα Λεοπόλδο Α΄, που έδωσε την εντολή στον αρχιτέκτονα Γιόχαν-Μπέρνχαρντ Φίσερ φον Έρλαχ να σχεδιάσει ένα νέο παλάτι, το οποίο προόριζε για τον γιο του Ιωσήφ Α΄. Το πρώτο προσχέδιο στο πρότυπο των Βερσαλλιών ήταν ουτοπικό και δαπανηρό, οπότε του δόθηκε εντολή για δεύτερο σχέδιo, ενός μικρότερου ανακτόρου. Η κατασκευή άρχισε το 1696, πλην όμως δεν ολοκληρώθηκε λόγω του θανάτου του αυτοκράτορα Ιωσήφ Α΄ το 1711. Τελικά το ημιτελές Σενμπρούν έγινε δώρο του αυτοκράτορα Καρόλου ΣΤ΄ στην κόρη του Μαρία Θηρεσία, η οποία έδωσε εντολή συνέχισης των εργασιών στον αρχιτέκτονα Νικολό Πακάσι (Nicolo Pacassi). Ο Πακάσι προχώρησε σε πλήρη αναδόμηση του ανακτόρου σε ρυθμό ροκοκό και επάνω σε εντελώς νέα σχέδια, με την κατασκευή να διαρκεί από το 1743 ως το 1749, ενώ έκτισε και το Ανακτορικό Θέατρο Σενμπρούν (Schlosstheater Schönbrunn), όπου μετέπειτα παρουσίασαν έργα τους σημαντικοί συνθέτες, όπως ο Χάυντν και ο Μότσαρτ. Η Μαρία Θηρεσία χρησιμοποιούσε το Σενμπρούν ως θερινή αυτοκρατορική κατοικία.

Κατά την κατάληψη του Σενμπρούν από τους Γάλλους (1805-1809), το ανάκτορο αποτέλεσε την έδρα του στραταρχείου του Μεγάλου Ναπολέοντα όταν στις 14 Οκτωβρίου του 1809 υπεγράφη σε αυτό η ομώνυμη συνθήκη ειρήνης. Κατά τον ύστερο 19ο αιώνα το Σενμπρούν συνδέθηκε με τον αυτοκράτορα Φραγκίσκο Ιωσήφ, ο οποίος γεννήθηκε εκεί, έζησε όλη του τη ζωή εκεί και πέθανε μέσα στο ίδιο του το υπνοδωμάτιο το 1916. Κατά τη διάρκεια των 68 ετών που βασίλεψε, το ανάκτορο Σενμπρούν αποτέλεσε ένα Gesamtkunstwerk (Συνολικό έργο τέχνης), αρχιτεκτονικής, γλυπτικής και εσωτερικής τοιχογραφίας, στοιχεία τα οποία το χαρακτήριζαν.