El palacio fue encargado por la pareja compuesta por Fernando María y Enriqueta Adelaida de Saboya a Agostino Barelli en 1664, luego del nacimiento de su hijo Maximiliano II Manuel de Baviera. El pabellón central fue terminado en 1675.

En 1701, el heredero de los ducados soberanos de Baviera, Maximiliano Manuel, ordenó una ampliación sistemática del palacio. Se agregaron dos pabellones, uno al sur y el otro al norte del palacio de Barelli, realizados por Enrico Zuccalli y Giovanni Antonio Viscardi. Más tarde, la sección sur del palacio se amplió aún más para formar los establos. Para balancear, se añadió al norte una plantación de naranjos. Finalmente, fue construido un gran círculo con mansiones barrocas (el Schlossrondell), bajo el gobierno del hijo de Maximiliano Manuel, Carlos VII.

Al firmarse en julio de 1741 el Tratado de Nymphenburg, Carlos VII acordó una alianza con Francia y España en contra de Austria. Por largo tiempo, el palacio fue la residencia de verano de los gobernantes de Baviera. El rey Maximiliano I murió ahí en 1825, y su bisnieto, el rey Luis II, nació ahí en 1845. También murió en el palacio la infanta Paz de Borbón en 1946 tras residir en él durante muchos años.

Hoy en día, el palacio de Nymphenburg está abierto al público, pero aún es el hogar y sede del Jefe de la Casa de Wittelsbach, el duque Francisco de Baviera.