In 1559 liet keizer Maximiliaan II een klein jachtslot bouwen dat in de tijd die volgde meerdere malen afbrandde en uiteindelijk in 1683 tijdens het Beleg van Wenen door de Turken verwoest werd. Dit was reden voor keizer Leopold I om de beroemde architect Johann Bernhard Fischer von Erlach opdracht te geven tot de bouw van een nieuw paleis. In 1688 had Fischer von Erlach zijn plannen klaar en tussen 1692 en 1713 werd het, zij het in gereduceerde vorm, uitgevoerd. Van deze bouw zijn slechts de slotkapel en de Blaue Stiege met een dakfresco van Sebastiano Ricci behouden.

Keizer Karel VI was niet geïnteresseerd in Schönbrunn. Zijn dochter Maria Theresia maakte er echter de zomerresidentie van de Habsburgers van, wat het tot 1918 zou blijven. In haar regeerperiode zou het, onder leiding van Nikolaus von Pacassi ingrijpend worden verbouwd. Von Pacassi leidde ook de verbouwing van de Hofburg. Ook het overgrote deel van de inrichting van het paleis stamt uit deze periode en geldt als enige voorbeeld van de Oostenrijkse rococo.

In 1765 neemt Johann Ferdinand Hetzendorf von Hohenberg, een vertegenwoordiger van het vroege classicisme, de bouwleiding. Zijn meeste bijzondere werk is de Gloriette. Tussen 1817 en 1819 wordt de façade van het paleis in zijn beroemde Schönbrunn-geel geschilderd. Een kleur die in de daaropvolgende honderd jaar een kenmerk zal zijn voor Oostenrijk-Hongarije, en een voorbeeld zal blijken voor veel stations- en regeringsgebouwen. In een zijvleugel bevindt zich het beroemde Slottheater. Naast optredens van Joseph Haydn en Wolfgang Amadeus Mozart is het theater bekend als kweekvijver voor nieuw talent.

In 1945 werden het hoofdgebouw en een deel van de Gloriette door geallieerde bommen beschadigd. Tijdens de bezetting van Oostenrijk, door de vier geallieerde machten, werd het slot hoofdkwartier van de Britten. Destijds begon ook de restauratie.

In 2004 volgde een renovatie van de zuidzijde.