Речка Вангази, протекавшая по дну оврага, была запружена, благодаря чему выше плотины возник обширный пруд. На картах, составленных для Бориса Годунова, поместье имеет название «Сарица». Позднее, под влиянием русской народной этимологии, название трансформировалось в «Сарскую мызу», затем в «Саарское село», и, наконец, стало Царским Селом.
После изгнания шведов из этого района Пётр I подарил мызу А. Д. Меншикову, а позднее, 13 (24) июня 1710 года по указу императора Сарская мыза (вместе с 43 приписанными деревнями и угодьями) была подарена Марте Скавронской, ставшей в 1712 году его женой под именем Екатерины Алексеевны.
В 1718—1724 годах по проекту архитектора Иоганна Браунштейна здесь вырос небольшой двухэтажный каменный дворец, окружённый подсобными постройками. С западной стороны от дворца находился Зверинец — отгороженный участок леса, в котором содержали кабанов, лосей и зайцев для царской охоты.
Расширился сад, заново перепланированный террасами мастером садово-паркового искусства Яном Роозеном в 1719—1722 годах. По его проекту садовый мастер Иоган Фохт проложил прямую перспективу от каменных палат к зверинцу, укрепил берега Большого пруда сваями и придал ему очертания шестиугольника. Был вырыт Рыбный канал, соединяющий Большой пруд с каналом вдоль слободы. Роозен использовал естественный склон холма и распланировал сад уступами.
Примыкающую с востока к дворцу более высокую часть стали называть Верхним садом, а расположенную ниже и дальше — Нижним садом. Здесь были устроены садовые «затеи»: беседки, трельяжи, боксеты; аккуратно подстриженные деревья высажены правильными рядами вдоль прямых аллей. Вдоль дорожек среди зелени выставлены скульптуры, выполненные итальянскими мастерами венецианской школы, приобретённые ещё Петром I.
В 1723 году архитектор И. Ферстер построил увеселительный павильон на укреплённом сваями острове Большого пруда. В том же году началась постройка большой оранжереи. Южной границей парка тогда служил Рыбный канал. Часть парка за каналом называли «дикой рощей», где свободно росли деревья различных пород.
В первых десятилетиях XVIII века начались работы по прокладке каналов и созданию озёр, так как естественных рек и озёр в этой местности не было. Первоначальные затруднения с водой в Царском Селе были так велики, что во время пребывания здесь императорского двора приходилось доставлять воду в чанах из Петербурга.
Большой пруд не имел никаких источников для питания водой, кроме дождевых и болотных вод. Проблема водоснабжения была решена лишь после того, как в 1749 году прорыли Виттоловский канал от ключей близ деревни Большое Виттолово. Ключи выходят на поверхность в местности, которая на 9,5 м выше уровня Большого пруда. Обводнение Большого пруда повлекло за собой создание системы прудов в Екатерининском парке.
На ручье, протекавшем по дну оврага позади Эрмитажа, была построена плотина, а затем сооружены ещё три плотины. По оврагу было вырыто пять прудов, три из них (Нижние Каскадные пруды) ограничили сад с юго-востока, а два (Малые каскадные пруды) — служительную слободу. А затем, уже в конце XVIII века, провели Таицкий водовод от ключей в районе посёлка Тайцы, расположенного в шестнадцати километрах юго-западнее царской резиденции.
В царствование Елизаветы Петровны Царское село стало императорской резиденцией. В 1740—1750-е годы скромный дворец Екатерины I перестраивается в роскошную летнюю резиденцию. С 1744 года по замыслу архитектора А. В. Квасова старое петровское здание было переделано, надстроено и связано галереями с двухэтажными флигелями по бокам. Вскоре эту работу продолжил русский зодчий С. И. Чевакинский. Дворец состоял из трёх корпусов, церкви и оранжерейного зала, соединённых между собой галереями.
Через несколько лет и новый дворец показался недостаточно парадным и было решено его вновь переделать. С 1751 года по 1756 год реконструкцию Екатерининского дворца вёл архитектор Ф. Б. Растрелли. Работы велись круглый год, реконструкция потребовала огромных средств.
Растрелли поднял галереи до уровня корпусов и с исключительным богатством и пышностью отделал фасады. В основных чертах дворец и сейчас имеет облик, который был придан ему Растрелли. В 1755 году из третьего Зимнего дворца сюда перенесли Янтарный кабинет.
Параллельно с дворцом по проекту Растрелли в парке строятся павильоны «Эрмитаж», «Грот» и «Зал на острову» посредине Большого пруда для увеселительных собраний узкого круга придворных. Одновременно шло расширение территории сада, южной границей его стали Нижние пруды.
Для придания саду должного великолепия в него были перенесены статуи, а также широко практиковалась пересадка многолетних деревьев из петербургских садов. Наряду с этим в саду высаживались молодые деревья. Декоративные деревья и кустарники покупались и за границей.
В 1751—1752 годах деревянные решетчатые заборы были заменены высокой каменной оградой с воротами по проекту Растерелли. В 1754—1757 годах близ дворца, на месте нынешней Гранитной террасы, по проектам А. К. Нартова и Растрелли было построено здание Катальной горки.
Для воплощения новых веяний в русском садовом искусстве со второй половины XVIII века Екатерининский парк начал значительно расширяться. К юго-западу от старого сада, вокруг Большого пруда и западнее его, возник новый район, с парком в пейзажном стиле. Над созданием парка работали архитектор В. И. Неелов и садово-парковые мастера И. Буш и Т. Ильин. В тот период на строительство в парке Екатерина II тратила баснословные средства и огромные силы.
В середине 1760-х годов вдоль Большого пруда были насажены липовые аллеи. Такая же липовая аллея (ныне Рамповая аллея) появилась на гребне холма над прудом, на продолжении скатов Катальной горки. Почти каждый год в различных уголках парка появлялось что-то новое.
В честь победы России в русско-турецкой войне 1768—1774 годов в парке появились Кагульский обелиск (в честь победы русской армии под руководством П. А. Румянцева на реке Кагул), Чесменская колонна (в честь победы русского флота в Эгейском море у бухты Чесма), Морейская или Малая Ростральная колонна (в память о победе русского флота у полуострова Морея) и Башня-руина стилизованная под разрушенную турецкую крепость.
В соответствии с увлечением того времени эффектными «романтическими» декорациями в парке появились Готические ворота, Адмиралтейство и Эрмитажная кухня. В 1770-е годы в соответствии с пристрастием к модным китайским мотивам строятся Большой каприз и Китайская или Скрипучая беседка.
В 1770—1780-е годы в парке появились сооружения в стиле русского классицизма: павильоны Верхняя и Нижняя ванны, Концертный зал, Кухня-Руина, Зал на острову, Мраморный мост, Орловские ворота.
У южной стороны Екатерининского парка по проекту архитектора Ч. Камерона в 1780—1787 годы строится несколько крупных сооружений, составляющих единый комплекс: Камеронова галерея, Агатовые комнаты, Висячий сад и пандус.
С конца XVIII века существенных изменений в планировке и границах Екатерининского парка не производилось. Только отдельные памятники включались в его уже сложившийся ансамбль. После пожара 1820 года работы в Большом дворце вёл В. П. Стасов. В 1817 году при въезде из Софии им были воздвигнуты ворота «Любезным моим сослуживцам» в память Отечественной войны 1812 года.
В 1821 году вороты были перенесены на новое место — на дороге в Павловск, служившей продолжением Садовой набережной. В 1850—1852 году на берегу Большого пруда архитектор И. А. Монигетти построил декоративный павильон Турецкая баня. На месте луга близ Зубовского флигеля Екатерининского дворца в 1855—1856 годы был создан «Собственный садик», вход в который посторонним был закрыт.
В 1918 году дворцово-парковый комплекс национализирован и превращён в музей. 9 июня 1918 года Екатерининский дворец принял первых посетителей. В течение 1919 года музеи Детского Села посетили 64 тысячи человек, а только за летний сезон 1920 года — уже более 56 тысяч.
18 сентября 1941 года город Пушкин был оккупирован германскими войсками, уничтожившими и повредившими многие сооружения ансамбля, похитившими некоторые произведения искусства (в том числе убранство Янтарной комнаты Большого дворца).
В Екатерининском парке было уничтожено более трёх тысяч деревьев (свыше четверти общего их количества). Помещения нижнего этажа Екатерининского дворца фашисты приспособили под гараж, дворцовую церковь использовали как стоянку велосипедов и мотоциклов, в Агатовых комнатах размещался клуб. В марте 1942 года в Екатерининском дворце возник большой пожар.
Пушкин был освобождён войсками под командованием генерала И. В. Хазова 24 января 1944 года в ходе Красносельско-Ропшинской операции. После освобождения Екатерининский дворец представлял собой руины. В нижнем этаже дворца и под Камероновой галереей было обнаружено одиннадцать авиабомб замедленного действия. Бомбы удалось обезвредить.
Ещё в годы войны началось восстановление комплекса. Летом 1945 года Екатерининский парк был открыт для посетителей. В первую очередь были отреставрированы Верхняя ванна, Вечерний зал, Скрипучая беседка, Холодная баня, Камеронова галерея и другие парковые павильоны.
В 1957 году начались предпроектные работы по реставрации Екатерининского дворца. В 1959 году открыты для обозрения первые шесть восстановленных залов дворца. Реставрационные работы продолжаются до сих пор.
В январе 1983 года дворцово-парковому ансамблю города Пушкина был присвоен статус заповедника, который в 1990 году получил своё нынешнее название: Государственный музей-заповедник «Царское Село».
В 1989 году дворцы и парки ансамблей города Пушкина были внесены в список всемирного наследия ЮНЕСКО. В рамках подготовки к празднованию 300-летия Царского Села, которое отмечалось в 2010 году, в Екатерининском парке были проведены реставрационные работы и открыты для посетителей: павильон «Вечерний зал» (2008 год), павильон «Турецкая баня» (2009 год),
павильон «Эрмитаж», павильон «Концертный зал», павильон «Скрипучая беседка», ворота «Любезным моим сослуживцам» (2010 год), павильон «Нижняя ванна» (2011 год), Зеркальные пруды, Гранитная терраса (2012 год).
Продолжаются реставрационные работы в залах Екатерининского дворца. С 2010 по 2013 годы велись реставрационные работы в Агатовых компанах, при этом использовалась методика консервации и реставрации с минимальным восполнением утрат (в соответствии с Венецианской хартией по консервации и реставрации памятников и достопримечательных мест).
С 2012 года ведутся реставрационные работы в цокольном этаже Камероновой галереи, где намечено хранить крупногабаритные предметы, такие как парковая скульптура, вазы и другие элементов декора. С лета 2012 года ведутся работы по реставрации Висячих садов.
