Был возведён по заказу императора Павла I в 1797—1801 годах и стал местом его смерти. Это крупнейший памятник архитектуры, завершающий собою историю петербургского зодчества 18 века. Своим названием он обязан находящемуся в нём храму Михаила Архангела, покровителя дома Романовых, и причуде Павла I, (принявшего титул Великого магистра Мальтийского ордена), называть все свои дворцы «замками». Второе название — «Инженерный» произошло от находившегося здесь с 1819 года Главного инженерного училища.
Замысел создания замка и первые эскизы его планировки принадлежали самому Павлу. Работа над проектом будущей резиденции началась еще в 1784 году, в бытность его великим князем. Павел I желал сделать новый дворец своей главной парадной резиденцией. В процессе проектирования, которое длилось почти 12 лет, Павел обращался к различным архитектурным образцам, увиденным им во время заграничного путешествия 1781—1782 годов. Одним из возможных мест возведения нового дворца называлась Гатчина.
Указ о строительстве замка был издан в первый же месяц царствования Павла I, 28 ноября 1796 года: «для постоянного государева проживания строить с поспешанием новый неприступный дворец-замок. Стоять ему на месте обветшалого Летнего дома».
На месте деревянного Летнего дворца Елизаветы Петровны, созданного архитектором Растрелли, где 20 сентября 1754 года великая княгиня Екатерина Алексеевна родила великого князя Павла Петровича и где во время переворота 1762 года была провозглашена императрицей его мать.
Первый камень будущего замка был заложен 26 февраля (9 марта) 1797 года.
К моменту начала строительства папка проектов императора насчитывала 13 различных вариантов будущего дворца. Окончательный же проект дворца, по поручению императора Павла I, был выполнен архитектором В. И. Баженовым.
Строительными работами руководил архитектор Винченцо Бренна, который долгое время ошибочно считался автором проекта. Бренна переработал первоначальный проект дворца и создал художественную отделку интерьеров. В создании проекта принимал участие и сам император, сочинивший несколько рисунков. В помощниках Бренна числились Фёдор Свиньин и Карл Росси.
Павел I старался ускорить строительство. Винченцо Бренна получил чин статского советника, ему в помощь были направлены Чарльз Камерон и Джакомо Кваренги. Кроме того, вместе с Бренна работали Е. Соколов, И. Гирш и Г. Пильников.
Для увеличения темпов работ были переброшены строительные материалы с других строек: декоративный камень, колонны, фризы и скульптуры из Царского Села и Академии художеств (были разобраны несколько павильонов в Царском Селе и дворец в Пелле); со стройки Исаакиевского собора по проекту Ринальди — мрамор, в том числе фриз с надписью, который поместили над главными воротами; из Таврического дворца — наборный паркет.
По распоряжению императора строительство велось днем и ночью (при свете фонарей и факелов), так как он требовал отстроить замок вчерне в тот же год. Число рабочих, трудившихся на стройке, доходило до 6 тыс. человек одновременно.
8 (21) ноября 1800 года, в день святого Архангела Михаила, замок был торжественно освящён, но работы по его внутреннему убранству продолжались до марта 1801 года.
После убийства императора, через 40 дней после его переезда в Михайловский замок, он был покинут Романовыми и на два десятилетия пришёл в запустение.
Когда Александру I понадобилось серебро для роскошного сервиза — свадебного подарка сестре Анне Павловне, королеве Нидерландов, на переплавку пошли серебряные врата из дворцовой церкви, а Николай I отдал распоряжении «добывать» во дворце мрамор для постройки Нового Эрмитажа.
В 1819 году здесь разместилось Главное инженерное училище, от которого и пошло его второе название — «Инженерный».
В 1820 году Карл Росси перепланировал территорию вокруг замка. Подъемные мосты были убраны, а каналы засыпаны. В последующие годы замок постепенно терял первозданный облик. В 1829—1835 годы была произведена перестройка и перепланировка интерьеров для нужд инженерного училища (архитектор А. Я. Андреев). В 1893—1894 годах замок перестраивался архитектором Н.Л. Шевяковым.
Советский период
С 1918 по 1941 год и с 1945 года в замке размещается военно-инженерная школа (Ленинградское военно-инженерное училище). Во время Великой Отечественной войны (1941—1945 гг.) в Михайловском замке располагался госпиталь.
В 1951 году в замок на время проведения ремонта и реставрации в Главном адмиралтействе переведены кораблестроительный и особый факультеты военно-морского инженерного училища им. Дзержинского.
С 1957 года по настоящее время в замке располагается Центральная военно-морская библиотека. В 1960 году военное ведомство освободило (за исключением ЦВМБ) здание и его передали Ленинградскому Совету народного хозяйства для размещения технологических институтов. Основным арендатором стало Центральное Бюро технической информации г. Ленинграда (ЦБТИ).
В 1980-х в Михайловском замке располагались Ленинградский Центр научно-технической информации (ЛенЦНТИ), Ленинградский филиал Всесоюзного научно-исследовательского института технической эстетики (ВНИИТЭ), Всесоюзный проектный институт «ГипроНИИнеметаллоруд», Ленинградский государственный институт по проектированию заводов энергетического машиностроения «Ленгипроэнергомаш», ЛПО вычислительной техники и информатики, СКБ «Индикатор».
В 1988 году арендаторы начали постепенно освобождать помещения. Из-за использования разными учреждениями различных ведомств на протяжении долгого времени, состояние Михайловского замка было плачевным: дворцовые залы были перегорожены вдоль и поперек, плафоны и росписи на стенах — грубо закрашены.
Современный период
В 1991 году треть помещений замка была передана Государственному Русскому музею, а всё здание (за исключением помещений библиотеки ВМФ) передано в распоряжение музея в 1994 году.
К 300-летнему юбилею города Михайловский замок отреставрировали, были восстановлены многие интерьеры в том виде, в каком они были при Павле, а также надпись на фасаде (ранее закрытая листовым железом) и статуи со стороны Летнего сада. Также были реконструированы и открыты сохранившиеся под землей фрагменты Воскресенского канала и Трехпролетного моста — часть инженерно-фортификационных сооружений, окружавших замок.
Торжественное открытие Михайловского замка состоялось 27 мая 2003 года. Сегодня это филиал Русского музея, в котором открыты постоянные экспозиции — «Античные сюжеты в русском искусстве», «Эпоха Ренессанса в творчестве русских художников», «История замка и его обитателей» и «Открытый фонд скульптуры».