Palatul a fost construit pâna în 1702 de catre Constantin Brâncoveanu în stil arhitectural românesc renascentist sau stil brâncovenesc, o combinatie de elemente venetiene cu elemente otomane, stil utilizat anterior si la un alt palat al domnitorului, construit anterior de acesta la Potlogi.
Dupa 1714, când Constantin Brâncoveanu a fost executat la Constantinopol împreuna cu întreaga sa familie, întreaga avere a familiei a fost confiscata de otomani iar palatul a fost transformat în han. Rascumparat de domnitorul Stefan Cantacuzino, el a revenit apoi marelui ban Constantin Brâncoveanu, nepotul domnitorului si a ramas în posesia familiei pâna la începutul secolului al XIX-lea.
Dupa moartea lui Grigore în 1832, palatul a ramas mostenire fiicei sale adoptive, Zoe Mavrocordat si, prin casatoria acesteia cu domnitorul Gheorghe Bibescu, a trecut în familia acestuia si a fost renovat între 1860–1880 de Nicolae Bibescu, care a construit si cavoul familiei în parcul palatului, si vila Elchingen din apropiere.
În timpul celui de Al Doilea Razboi Mondial, palatul a fost loc de întâlnire al diplomatilor aliati, fiind, pentru câteva luni, închiriat legatiei elvetiene din România. Dupa 6 martie 1945, mosia a fost nationalizata fortat de guvernul comunist, Martha Bibescu obtinând de la autoritati declararea ca monument istoric a palatului, pe care înca îl mai detinea.
Printesa a plecat însa definitiv din tara în septembrie 1945, lasând palatul fiicei sale Valentina si sotului ei, Dimitrie Ghika-Comanesti.
În 1949, palatul a fost si el nationalizat, Valentina si Dimitrie Ghika-Comanesti fiind arestati. Pâna în 1957, cladirea a fost devastata si devalizata, colectiile de arta fiind furate si dezmembrate. Abia în 1957 palatul a devenit sediul sectiei feudale a Muzeului National de Arta, fiind restaurat începând cu 1977.
În prezent, Palatul Mogosoaia adaposteste Muzeul de Arta Brâncoveneasca si este un important punct de atractie turistica.
