El Palacio del Senado tiene su origen en el colegio convento de doña María de Aragón. Diseñado por Francisco de Mora a finales del siglo XVI, perteneció a la orden de agustinos calzados hasta que en 1809 fueron expulsados como consecuencia de la desamortización de José Bonaparte.

En 1813 las Cortes reunidas en Cádiz se trasladaron a Madrid y escogieron la antigua iglesia del convento como salón de sesiones. El Salón de Cortes fue inaugurado el 2 de mayo de 1814 tras la reforma de Antonio Prat. Dos días después, Fernando VII derogó la Constitución de 1812 y el edificio fue devuelto a los agustinos.

Durante el Trienio Liberal (1820-1823) el Palacio volvió a acoger a las Cortes, siendo el arquitecto mayor del Rey, Isidro González Velázquez, el encargado de acondicionar el Palacio para el nuevo uso parlamentario. Tras morir Fernando VII se instauró el bicameralismo en España al promulgarse el Estatuto Real (1834) con el que se creaba una Alta Cámara, el Estamento de Próceres, que se reunió en el Palacio desde 1835. El Estamento fue sustituido por el Senado tras crearse éste con la Constitución de 1837.

El Palacio fue acondicionado para los usos del Senado a lo largo de la historia por diversos arquitectos como Aníbal Álvarez Bouquel, Agustín Ortiz de Villajos o Emilio Rodríguez Ayuso. Aníbal Álvarez fue el primero en reformar la fachada principal del Palacio en los años 40 del siglo XIX, tras la última que hiciese Calixto de la Muela para el Estamento de Próceres. De ella destacaría la entrada monumental formada por tres puertas y cuatro grandes columnas con capiteles corintios, que daba acceso al vestíbulo de entrada al Salón de Sesiones. Éste era el acceso por el que los reyes, desde Isabel II y hasta Alfonso XIII, entrarían al Senado a partir de 1850 y continúa utilizándose hoy para dar la bienvenida a los ciudadanos durante la celebración anual de las Jornadas de Puertas Abiertas.

A finales del siglo XIX Agustín Ortiz de Villajos reformó la fachada, pero en esta ocasión el grueso de la obra se centraría en el resto del cuerpo de la misma. Abrió una nueva entrada principal al comienzo de la crujía central del edificio, realzada por una portada con tres vanos y un conjunto de pilastras bajo un gran frontón.

Entre 1939 y 1977 el Palacio fue la sede del Consejo Nacional y en ese período se ejecutaron las últimas grandes obras de relevancia en el edificio por parte del arquitecto Manuel Ambrós Escanellas. La fachada sería nuevamente restaurada por él, adquiriendo la apariencia actual.