A tatai várat Zsigmond király építette 1397-1409 között, talán a Lackfi család korábbi erődítménye helyén. A Zsigmond által emelt vár a XIV. századi diósgyőri és a zólyomi vár, valamint itáliai mintaképek nyomán készült, négyzetes alaprajzon, négy saroktoronnyal, zárt belső udvarral. 

Zsigmond 1426-ban a Rozgonyiaknak zálogosította el a várat, akiktől csak Mátyás király váltotta vissza 1472 előtt. Az 1470-1480-as években Mátyás újjáépítette az erődítményt. E korszakról legfontosabb forrásunk Antonio Bonfini, aki történeti művében, a Decades-ban, leírja az árkádokkal övezett udvart és aranyozott, faragott mennyezetű termeket, valamint a kettős várfalat a várárokkal. Mátyás halála után fia, Corvin János örökölte, akitől 1494-ben I. Ulászló király szerezte meg. Kisebb építkezéseket feltehetően ő is végzett az épületen.

Buda török uralom alá kerülése (1541) után Tata – Komárom egyik fontos előváraként – a magyar végvári rendszer egyik közepes erődítménye lett. Ekkor kezdték meg a külső várfal építését a rondellával és a külső vizesárokkal. Ennek ellenére a török rövid időre mégis elfoglalta és 1558-1566 között a kezében tartotta.

Amikor visszakerült a magyarok kezébe, elhatározták a védművek korszerű megerősítését. Elsőként 1568-1572 között a délkeleti sarkot védő olaszbástya, a Ferrando-bástya épült meg, ám építését valójában sohasem fejezték be: a bástya belsejét nem töltötték meg földdel, ahogy eredetileg tervezték. 1572-ben Giulio Turco végzett várszemlét. Az ő jelentése, és a hozzá csatolt alaprajzi felmérés is ránk maradt.

1577-ben készült el a vár délkeleti sarkát védő Rosenberg-bástya. Ekkor Suess Orbán hadmérnök visszabontatta – egy kivétellel – a középkori belső vár tornyait és három palotaszárny második emeletét. A bontásokról készült jelentése fontos forrás a középkori várról. 1586-ban az északkeleti sarkon álló Kecske-bástya építésével fejeződtek be az erődítési munkák. Ezt az állapotot ábrázolja a vár egyetlen hiteles látképe: Wilhelm Dilich 1606-ban megjelent rézkarca.

A tizenötéves háborúban és a XVII. században a vár számos ostromot élt át, de komolyabb átépítésre már nem került többé sor. A legsúlyosabb károk a középkori belső várat érték. Ennek romos részeit végül a XVIII. században bontották le. A fennmaradt déli palotaszárnyat a XIX. században, romantikus stílusban, több alkalommal is restaurálták.

Az 1964-1972-ben, Szatmári Sarolta által végzett ásatások hozták felszínre a középkori vár nagy részének falmaradványait és számos középkori kőfaragványát, az ásatásokkal párhuzamosan folyó falkutatások pedig több középkori kőszerkezetet tártak fel a fennálló épületszárnyban.