Dal 1308 è stata la residenza ufficiale dei signori di Mantova, i Bonacolsi, e quindi la residenza principale dei Gonzaga, signori, marchesi ed infine duchi della città virgiliana. Ospitava il Gonzaga dominante del tempo, sua moglie, il figlio legittimo primogenito e gli altri figli legittimi sino alla maggiore età nonché gli ospiti importanti. Assunse la denominazione di Palazzo Reale durante la dominazione austriaca a partire dall'epoca di Maria Teresa d'Austria regnante.

Ambienti distinti e separati tra loro furono costruiti in epoche diverse a partire dal XIII secolo, inizialmente per opera della famiglia Bonacolsi successivamente su impulso dei Gonzaga. Fu il duca Guglielmo ad incaricare il prefetto delle Fabbriche Giovan Battista Bertani perché collegasse i vari edifici in forma organica così da creare, a partire dal 1556, un unico grandioso complesso monumentale e architettonico, uno dei più vasti d'Europa (34.000 m² circa), che si estendeva tra la riva del lago Inferiore e Piazza Sordello, l'antica Piazza di San Pietro. Morto Bertani nel 1576, l'opera fu proseguita da Bernardino Facciotto che completò l'integrazione di giardini, piazze, loggiati, gallerie, esedre e cortili, fissando definitivamente l'aspetto della residenza ducale.

L'interno del palazzo è quasi spoglio poiché, in seguito a ristrettezze finanziarie i Gonzaga, iniziando dal duca Ferdinando, alienarono opere d'arte (soprattutto a Carlo I d'Inghilterra) e arredi, mentre di quanto rimase, una parte fu successivamente sottratta in epoca napoleonica.

Antonio Pisano, detto il Pisanello, dipinse nel 1433 e nel 1437 nella sala che oggi porta il suo nome un maestoso ciclo di affreschi di soggetto cavalleresco arturiano, avente per soggetto la battaglia di Louverzep, che aveva lo scopo di glorificare il casato del committente Gianfrancesco Gonzaga, anch'egli raffigurato nel dipinto. Questi affreschi raccontano l'epopea di Re Artù le cui storie erano molto popolari all'epoca perché costituivano il paradigma del comportamento cavalleresco.