El Palacio de Bellas Artes tiene como antecedente inmediato al edificio que albergaba al antiguo Teatro Nacional, considerado el más importante en su género en la vida artística y cultural de nuestro país durante la segunda mitad del siglo XIX. Al iniciarse el siglo XX, como parte del programa de obras arquitectónicas con las que se estaba embelleciendo a la Ciudad de México, se pensó primero en renovarlo, pero se optó por demolerlo para construir otro, acorde al crecimiento urbano y cultural de la Ciudad.

La ubicación del nuevo teatro fue objeto de un minucioso estudio tanto por parte de las autoridades como por su arquitecto, el italiano Adamo Boari. Finalmente, en 1901 ya se había decidido que se situaría a un costado de la Alameda Central.

La historia de la construcción del nuevo Teatro Nacional, llamado después Palacio de Bellas Artes, es compleja y tiene una dinámica singular; dos épocas importantes de la historia de nuestro país la definen: el régimen de Porfirio Díaz y la Revolución Mexicana. Los trabajos iniciaron en 1904 con el objetivo de terminarlo en cuatro años; sin embargo, problemas presupuestales y técnicos fueron demorando su conclusión. Tras el estallido de la Revolución en 1910 y el agravamiento de la situación económica en el país, Adamo Boari regresa a Europa en 1916. Se había concluido, hasta esa fecha, casi todo el exterior, excepto el recubrimiento de la cúpula.

La idea generalizada de que el Teatro Nacional, en el periodo que va de 1917 a 1929, estuvo en completo abandono es difícil de sostener, pues hubo gran interés para que se terminara, tanto de algunos gobiernos posrevolucionarios como del público en general. Además, el edificio se usaba muy frecuentemente para celebrar actos importantes de la vida citadina.

A partir de 1930, bajo la presidencia de Pascual Ortiz Rubio, el arquitecto Federico E. Mariscal fue el encargado del proyecto de la conclusión del Teatro Nacional; sin embargo, no es sino hasta 1932, con el apoyo del secretario de Hacienda, Alberto J. Pani, que la obra fue revitalizada con las instrucciones precisas de concebir un edificio "... asiento de una institución nacional de carácter artístico", que albergara varios museos, de ahí que por primera vez en 30 años se cambiara el nombre del edificio, de Teatro Nacional al de Palacio de Bellas Artes.

De 2008 a 2010 se llevó a cabo la mayor intervención hecha a su teatro y sala de espectáculos, en la que se renovaron plataformas, tramoya, escenario, foso, iluminación, acústica, cabinas y butaquería.

Se han realizado otras rehabilitaciones en el recinto, entre las que destacan en 1993, la construcción del estacionamiento subterráneo; un año después la remodelación de las salas de exhibición del Museo del Palacio de Bellas Artes; y de 2000 a 2004, la restauración de sus cúpulas.