В 1765 г. Гатчинскую мызу купила Екатерина II и пожаловала генерал-фельдцейхмейстеру графу Г. Г. Орлову в благодарность за участие в дворцовом перевороте, в результате которого Екатерина стала императрицей. С этого периода начинается история дворцово-паркового ансамбля в Гатчине.
Главным архитектором стал Антонио Ринальди. По его проектам был построен Большой Гатчинский Дворец, который сочетает в себе элементы русской загородной усадьбы и английского охотничьего замка. Был создан парк в «английском вкусе», что соответствовало последним для того времени достижениям паркового искусства. Это был первый в истории русского паркостроения пейзажный парк. В парке возникли искусственные острова, были построены Колонна Орла, Чесменский обелиск, Восьмигранный колодец, Грот «Эхо», а также деревянные мосты. Также был распланирован большой Зверинец для охоты.
После смерти графа Орлова в 1783 году Екатерина II выкупила у наследников в казну гатчинское поместье и подарила его сыну, великому князю Павлу Петровичу, будущему императору Павлу I. Главным архитектором стал Винченцо Бренна. Садовым мастером Джеймсом Гекетом были распланированы регулярные сады, парк Сильвия. На острове Любви был построен Павильон Венеры, а недалеко от него — Берёзовый домик и портал «Маска». На входах в парки с были построены Берёзовые, Адмиралтейские, Зверинские и Сильвийские ворота. Также были построены Лесная Оранжерея, Ферма, Павильон Орла и другие постройки. В 1795 году началась перестройка Большого Гатчинского Дворца, а в 1798 году по проекту архитектора Н. А. Львова был построен Приоратский дворец. По проектам архитектора А. Д. Захарова были построены Горбатый мост , Холодная ванна, Птичник.
В 1828 году Николай I сделал Гатчину своей штаб-квартирой во время весенних и осенних маневров в Красном Селе. А в 1844 году по проекту архитектора Р. И. Кузьмина началась перестройка Большого Гатчинского Дворца.
19 мая 1918 года Гатчинский дворец был открыт для посетителей как музей.
Во время Великой Отечественной войны дворцово-парковый ансамбль сильно пострадал. Дворец и многие парковые павильоны были сожжены, парки вырублены.
После окончания войны в парке начались восстановительные работы. Были отреставрированы многие парковые сооружения. Начались работы и по восстановлению Дворца, однако они не носили характера реставрации, а ограничились мерами, дающими возможность использования здания. Реставрационные работы начались лишь в 1976 году, а первые залы были открыты для посещения в 1985 году.
В конце 1980-х годов павильон Птичник значительно пострадал от пожара, а в 1993 году сгорело Адмиралтейство.
В настоящее время во Дворце продолжаются реставрационные работы. В 2009-2010 годах были отреставрированы мосты в центральной части парка (к острову Любви, в Водном лабиринте, около Адмиралтейства), а также открыт после реставрации павильон Венеры.