ממלכת בריטניה החלה ביוזמה להקמת גלריה לאומית לאחר מדינות רבות אחרות באירופה. לממשלת בריטניה הייתה הזדמנות להקים גלריה לאומית בשנת 1777 כאשר צאצאיו של סר רוברט וולפול שקלו להעמיד את אוספו למכירה, והנשוא נדון בבית התחתון של הפרלמנט הבריטי וחבר הפרלמנט ג'ון וילקס הציע לרכוש את האוסף ולהקים את הגלריה בחצר המוזיאון הבריטי. בעקבות סירובה של ממשלת בריטניה, נמכר האוסף לצאריצה יקטרינה הגדולה, וכיום הוא מוצג במוזיאון הארמיטאז' שבסנקט פטרבורג[1]. בעקבות מכירת אוסף וולפול, פנו הציירים ג'יימס בארי וג'ון פלקסמן לממשלת בריטניה בקריאה להקים גלריה לאומית, בטענה כי בהיעדר גישה ליצירות אמנות אירופאיות לא יכולה האמנות להתפתח באנגליה. המכון הבריטי שנוסד בשנת 1805 ניסה לתת מענה לבעיה זו והציג יצירות אמנות אירופאיות שהושאלו מאוספים פרטיים, אולם ספג ביקורת בשל הטענות בדבר האיכות הנמוכה של יצירות אלה.

בשנת 1811 הוענק האוסף שנועד במקור עבור הגלריה הלאומית של פולין, ואשר נאסף על ידי סר פרנסיס בורג'ווה למכללת דאליץ', וכיום מוצג אוסף זה בגלריית דאליץ'. אוסף זה אכן שימש את אמני בריטניה, אולם שכן במכללה פרטית בפרוור דרומי של לונדון, ולא ניתן היה להשוות את הגלריה לגלריה לאומית במימון ממשלתי.

לאחר מלחמות נפוליאון, שילמה במפתיע ממשלת אוסטריה את חובותיה לממשלת בריטניה, וזו החליטה להקצות את הכספים להקמת גלריה לאומית. באותה שנה הוצא למכירה אוספו של הבנקאי הגרמני ג'ון ג'וליוס אנגרסטין. ב-2 באפריל 1824 הצביע הפרלמנט הבריטי בעד רכישת 38 יצירות מהאוסף, בהן יצירות מעשה ידי רפאל וויליאם הוגארת', בעלות כוללת של 57,000 ליש"ט.

הגלריה נפתחה לציבור ב-10 במאי 1824, בבית מס' 100 ברחוב פאל מאל, שהיה שייך לאנגרסטין. בשנת 1826 נוספו לאוסף יצירות מאוספי סר ג'ורג' בומונט, הבארונט השביעי (שהתנה את מתן האוסף לציבור בבניית מבנה נאות עבורם), ובשנת 1828 נוספו אוספי הכומר ויליאם הולוול גארק. ביולי 1824 הוקם חבר נאמנים לנהל את הגלריה.

בשל מספר התמונות, וגודלו הקטן של המבנה, הוחלט להקים מבנה ייעודי. היצירות הועברו זמנית לרחוב פאל מאל מס' 105, ובשנת 1832 החלו עבודות הבנייה להקמת הגלריה, על פי תכנונו של האדריכל ויליאם וילקינס במקום בו עמדו האורוות המלכותיות, בצ'רינג קרוס, בחזית המבנה הוקמה כיכר גדולה - לימים כיכר טרפלגר.

במשך שלושים השנים הראשונות לפעילותה של הגלריה, מרבית המוצגים בה היו יצירות אמנות שמקורן באיטליה, מהמאות ה-15 וה-16. בשנת 1851 ביקר דוח של הפרלמנט הבריטי את המצב, וקרא למינוי מנהל לגלריה. אחד המועמדים לתפקיד היה היסטוריון האמנות הגרמני גוסטב פרידריך ואגן, בו התייעצה הגלריה בשאלות של תאורת היצירות ואופן הצגתם, אולם לבסוף בחרו המלכה ויקטוריה ובעלה הנסיך אלברט וכן ראש ממשלת בריטניה ג'ון ראסל בסר צ'ארלס לוק איסטלייק לתפקיד.

בעקבות מינויו של איסטלייק נרכשו יצירות אמנות מראשיתה של תקופת הרנסאנס, בייחוד מאזור איטליה, כאשר 148 יצירות נרכשו באירופה ו-46 בבריטניה עצמה. במהלך נסיעותיו איסטלייק רכש יצירות אמנות רבות אשר קלעו לטעמו האישי, ולא לטעמם של חבר המנהלים של הגלריה, כאשר כוונתו הייתה להוריש יצירות אלה לגלריה לאחר מותו.

השלישי במנהלי הגלריה, סר פרדריק ויליאם ברטון החל ברכישת אמנות מהמאה ה-18 וכן רכש כמה יצירות אמנות מאוספים פרטיים ובהם "השגרירים" מעשה ידי האנס הולביין הבן.

עם ייסודה של גלריית טייט לאמנות בריטית בשנת 1897 השפיעה אף היא על אוספי הגלריה הלאומית, שבחרה לשלוח את כל יצירות האמנות שנוצרו על ידי אמנים בריטים לאחר 1790 לגלריית טייט, למעט יצירותיהם של ויליאם הוגרת', טרנר וג'ון קונסטבל. באותה עת היו לגלריה הלאומית 15 אולמות תצוגה בלבד, וחסר המקום להציג יצירות רבות, ולכן העברתם לגלריית טייט איפשרה הצגת יצירות אמנות בריטיות אלה לציבור.

בשנת 1906 נרכשה את היצירה "ונוס מול המראה" מעשה ידי דייגו ולאסקז על ידי קרן אוספי האמנות הלאומית עבור הגלריה. בשנת 1914 ניזוקה יצירה זו על ידי מרי ריצ'רדסון כחלק ממחאתה הפוליטית על מאסרה של אמלין פנקהרסט במסגרת המאבק למתן זכויות לנשים. כמה ימים לאחר מכן ניזוקו חמש יצירות מעשה ידי ג'וואני בליני על ידי נשים סופרג'יסטיות, ובעקבות אירועים אלה נסגרה הגלריה, ונותרה סגורה עד למלחמת העולם הראשונה.

בשנת 1909 נתרמו לגלריה 42 יצירות מאוספי ד"ר לודוויג מונד[2].

עד שנת 1917 כלל האוסף רק יצירות אמנות שקדמו למאה ה-19. בשנה זו נתרמו לראשונה יצירות מודרניות לגלריה - אוספיו של סר יו ליין של יצירות אימפרסיוניסטיות. כמו כן, בשנת 1924 רכש סמיואל קורטלנד את "מתרחצים באנייר", יצירתו של ז'ורז' סרה עבור הגלריה.

בעקבות פרוץ מלחמת העולם השנייה הועברו יצירות הגלריה למכרה מנוד (Manod Quarry) שבסמוך לעיר פסטיניוג שבצפון ויילס על מנת להגן עליהם. מנהל הגלריה, קנת קלארק שקל להעביר את היצירות לקנדה אולם וינסטון צ'רצ'יל אסר עליו להוציא את התמונות מהאיים הבריטים. באולמות הריקים של בניין הגלריה הלאומית נהגה הפסנתרנית מיירה הס לתת קונצרטים לציבור. בשנת 1941 ביקש אמן בריטי לצפות ביצירתו של רמברנדט "דיוקנה של מרגרתה דה גיר" והוחלט על מיזם "תמונת החודש" במסגרתו הובאה כל חודש תמונה אחת מהמכרה והוצגה לציבור (על אף הסיכון לתמונה בשל הפצצות הבליץ).

לאחר תום מלחמת העולם השנייה עלו מחירי יצירות האמנות של האמנים האירופאים (ובעיקר מחירי היצירות האימפרסיוניסטיות והפוסט אמפרסיוניסטיות), והגלריה נמנעה, משיקולי תקציב, לרכוש יצירות אלו. יחד עם זאת בשנת 1962 רכשה הגלריה את "המדונה והילד, אן הקדושה ויוחנן המטביל" מעשה ידי לאונרדו דה וינצ'י, בשנת 1972 את "מותו של אקטאון" מעשה ידי טיציאן, ובשנת 2004 את "המדונה של הציפורנים" מעשה ידי רפאל. רכישות אלה נעשו מכספי תרומות, כגון תרומתו של סר פול גטי אשר בשנת 1985 תרם לגלריה סכום של 50 מיליון ליש"ט.

בשנת 1985 תרמו סר ג'ון סיינסבורי, ברון סיינסבורי, ואחיו סימון סיינסבורי וסר טימותי סיינסבורי סכום כסף אשר שימש להקמת אגף סיינסבורי של הגלריה.

בשנת 1996 החליטה הגלריה כי לא ירכשו יצירות שנוצרו לאחר שנת 1900 ו-60 יצירות הועברו בהשאלה לגלריית טייט בתמורה ליצירות שקדמו לשנה זו, בהן יצירות של פול גוגן.