W 1750 roku król pruski, nowy władca Śląska, zakupił od rodziny barona Heinricha Gottfrieda Spätgena barokowy pałac z przyległym ogrodem, wzniesiony w stylu wiedeńskim w 1717 roku (przy obecnej ul. Kazimierza Wielkiego). W latach 1751-53 królewski architekt Johann Boumann St. przystosował budowlę na potrzeby Fryderyka II Wielkiego. Do istniejącego gmachu dobudowano wówczas od strony ogrodu nie zachowane dziś dwukondygnacyjne skrzydło z pomieszczeniami dla króla: pokojem muzycznym, sypialnią, kancelarią, biblioteką, salą przyjęć, pokojem marszałkowskim oraz jadalnią. Rokokowe wnętrza były gotowe już w 1752 roku. W latach 1795-1796, na życzenie Fryderyka Wilhelma II, Karl Gotthard Langhans przeprowadził przebudowę najstarszej części barokowego pałacu w duchu klasycyzmu. Królewskie apartamenty, od strony północnej, ozdobiły drewniane boazerie, marmurowe kominki, tekstylne tapety koloru zielonego i czerwonego, supraporty z malowidłami o antycznej tematyce. Zgodnie z projektem architekta dziedziniec zamkowy ujęły dwie jednokondygnacyjne kordegardy z bramą wjazdową pośrodku. W 1809 roku kolejny król Fryderyk Wilhelm III przygotował dla siebie pomieszczenia w najstarszej części pałacu – piętra traktu południowego. Sale zgodnie z życzeniem monarchy miały być urządzone skromnie meblami mieszczańskimi w stylu empirowym. Ściany pokoi obito wówczas różnobarwnymi tkaninami, od koloru których pochodziły ich późniejsze nazwy: Niebieski i Żółty. Kolejne zmiany nastąpiły w połowie XIX stulecia, kiedy to berliński architekt Friedrich August Stüler zaprojektował generalną rozbudowę monarszej rezydencji. W latach 1843-46 wzniesiono dla Fryderyka Wilhelma IV nowe południowe skrzydło w duchu florenckiego renesansu, którego fragment zachował się do chwili obecnej. Natomiast po północnej stronie, w miejscu kordegard w 1858 roku powstały trójkondygnacyjne skrzydła wschodnie i zachodnie, które w 1867 roku połączyła istniejąca do dzisiaj ozdobna kolumnada, z bramami wjazdowymi, zamykająca dziedziniec.
W 1918 roku zamek został przekazany władzom miejskim Wrocławia, które przystosowały go do celów muzealnych. W dniu 20 września 1926 roku w dawnym Pałacu Królewskim otwarto Muzeum Zamkowe (Schlossmuseum). W prawej części skrzydła południowego zorganizowano ekspozycję poświęconą czasom Fryderyka II Wielkiego. Prezentowano również zbiory śląskiego szkła i ceramiki oraz odlewy żeliwne. Na górnym piętrze odtworzono wnętrza z okresu baroku, rokoka oraz klasycyzmu. Kolejne wnętrza wypełniono obrazami i rzeźbami z kolekcji Albrechta Säbischa.
W 1938 roku boczne skrzydła, zajmowane dotychczas przez władze wojskowe, przekazano również na cele muzealne. Organizowano tutaj wystawy historyczne, rzemiosła śląskiego oraz sztuki współczesnej. W ostatnich miesiącach II wojny światowej zamek uległ zniszczeniu. Do czasów obecnych zachował się dawny pałac Spätgena ze skrzydłami północnymi, oraz fragment skrzydła południowego. Po ich odbudowie w latach 1963-1999 znajdowało się tutaj Muzeum Archeologiczne oraz do 2004 roku Muzeum Etnograficzne. W 2008 roku zakończono gruntowny remont i modernizację gmachu dla Muzeum Miejskiego Wrocławia. Obecnie w Pałacu Królewskim mieszczą się nowoczesne sale wystawiennicze, sala konferencyjna, księgarnia, biblioteka oraz stylowa kawiarnia.