Od vzniku Velkomoravské říše v 9. století patřilo území pod Pálavou k místům, která hrála důležitou roli v politických sporech s jižními sousedy. Od roku 1082, kdy bylo toto území připojeno k Moravě, získalo České království Mikulovem důležitý geografický bod pro obranu nově vzniklé moravsko-rakouské hranice. Funkci jejího strážce měla již v 11. a 12. století roubená stavba na vrcholu Zámeckého kopce, jak potvrdil archeologický průzkum. Později stavba vyhořela a v průběhu první poloviny 13. století byl z podnětu Přemysla Otakara I. nebo jeho bratra, moravského markraběte Vladislava Jindřicha, na vápencových útesech nad vsí vybudován kamenný hrad.
Jádrem stavby byl věžovitý palác (donjon) ve tvaru nepravidelného čtyřúhelníku o rozměrech 11 × 16,5 m, zdi hradu dosahovaly šířky až 2 m. Dnes se v těchto místech nachází Sál předků. Součástí pozdně románského hradu byla i okrouhlá věž umístěná vedle brány. S palácem byla spojena zřejmě mostem v poschodí.
V roce 1249 postoupil moravský markrabě, pozdější král Přemysl Otakar II., Mikulov Jindřichovi z Liechtensteina. Právě se jménem tohoto rodu, původem ze Štýrska, jsou spojeny středověké dějiny mikulovského hradu. Vzhledem k nutnosti zlepšení obranyschopnosti stavby a potřebě zajistit bydlení větvící se rodině byl hrad zpevňován a zvětšován. Snad ještě ve 13. století vznikla válcová věž s břitem - hranou obrácenou ve směru útoku z důvodů zmenšení síly průrazu koule vypálené proti zdi. Vlastní jižní hrad byl přístupný branou vytesanou ve skále mezi palácem a okrouhlou věží. Její dva gotické portály pocházejí z přelomu 13. a 14. století.
Nejdochovanějším gotickým prostorem hradu je osmiboká kaple z roku 1380, zasvěcená Panně Marii a sv. Janovi Evangelistovi, vestavěná do patra válcové věže, která se tyčí vedle vstupu do jižního nádvoří. V interiéru hradní kaple se zachovala žebrová klenba se svorníkem s reliéfem Kristovy hlavy. V průběhu první poloviny 15. století byl hrad rozšířen severním směrem o předhradí chráněné hranolovou věží.
Nebezpečí tureckých vpádů a vývoj střelných zbraní si vynutily rozsáhlou přestavbu hradu, zahájenou někdy okolo roku 1540. Tehdy byly vybudovány čtyři mohutné nárožní bastiony se zaoblenými čely, vysunuté výrazně nad útesy kopce. Severní bastion (dnešní Sál předků) přitom pohltil budovu románského obytného paláce. Na prvním předhradí byla v 16. století zesílena brána u břitové věže a při ní vystavěna třičtvrtěkruhová věž (dnes zvaná Udírenská). Druhé předhradí již nebylo dále opevňováno, ale na protějším Kozím vršku byla vystavěna dělostřelecká věž.
Liechtensteinům patřil Mikulov až do roku 1560, kdy jej získal na krátkou dobu rod Kereczényiů. Od roku 1575 byl v držení Dietrichsteinů, v jejichž majetku zůstal až do roku 1945. Za Františka kardinála Dietrichsteina (1570-1636) byla započata náročná přestavba strohé hradní pevnosti v reprezentativní renesanční knížecí sídlo, hodné politické a společenské role kardinála, který z Olomouce přenesl do Mikulova svoji biskupskou kancelář i celý dvůr. Severní bastion byl k roku 1616 přebudován na Sál předků, hlavní sál zámku, s portrétními medailony, ze kterých se do dnešní doby dochovaly pouze torza. Rozšířeny byly i obytné části o severní a jižní křídlo. Již stojící východní a západní křídla byla propojena visutou chodbou na arkádách. Na druhém předhradí byla před rokem 1640 postavena budova divadla. Architektem přestavby kardinálova zámku byl velmi pravděpodobně italský stavitel Giovanni Giacomo Tencalla.
Nově byla vytvořena příjezdová cesta po východní straně kopce, na níž se vstupovalo branou, která byla později v barokním období prohloubena o tunelovitou část s výklenky (dnes zvaná Temná brána). Kardinál Dietrichstein věnoval svou pozornost také okolí zámku - po jeho obvodu byly navážkou zeminy vybudovány parkově upravené terasy.
Kardinálův následovník Maxmilián (1596-1655) převzal zvelebené panství v době, kdy vrcholila třicetiletá válka. Její následky pro město a panství se snažil řešit podporou obchodu a vinařství - z této doby pochází také obří sud (1014 hektolitrů) na víno, sestavený v roce 1643 ve sklepě pod divadlem, dodnes dochovaná unikátní řemeslná práce.
Rekonstrukce a úpravy zámku a jeho okolí pokračovaly intenzivně také ve druhé polovině 17. století za knížete Ferdinanda (1655-1698) - významného spolutvůrce habsburské politiky. Barokní přestavbou vzniklo šlechtické sídlo s prostorami pro reprezentaci a zábavu, odpovídající společenskému postavení knížete. Tehdy byla kromě jiného přistavěna terasa k východnímu křídlu, nově vybudována míčovna, později přeměněná v zimní jízdárnu. Vedle ní se nacházela konírna.
V roce 1719 došlo ke katastrofálnímu požáru Mikulova, který vážně zasáhl i zámek. Jeho obnovou pověřil kníže Walter Xaver Dietrichstein (1664-1738) vídeňského stavitele Christiana Alexandra Oedtla. Zámecké budovy byly z původních tří podlaží staženy na dvě při zachování výšky obvodových zdí a jejich hmotu sjednotila jednoduchá fasáda. Nově vznikly dvě terasy. Severní, umístěná nad vstupem na jižní nádvoří, a jižní, která byla spojena se stavbou saly terreny (barokní letní odpočinkový prostor). Na přestavbě zámku se podílel brněnský architekt František Antonín Grimm. Sochařské práce byly svěřeny rakouskému sochaři Ignáci Lengelacherovi (kromě jiného monumentální portál s atlanty na severní fasádě jižního nádvoří), umělecké kovářské práce pocházejí z dílny brněnského zámečníka Heinricha Gottfrieda Förstera (kromě jiného brána do zámeckého parku).
Budova divadla byla roku 1727 obnovena pro historickou knihovnu Dietrichsteinů. Dnes je zde v původních barokních skříních z poloviny 18. století uloženo 11 000 svazků vzácných knih. Reprezentativní prostory východního křídla zámku vrcholily v jihovýchodním bastionu luxusně vybaveným trůnním sálem, v němž Marie Terezie přijala moravské šlechtice a jednal zde o míru Napoleon Bonaparte i císař Vilém I.
Menší stavební úpravy v první polovině 19. století za knížete Františka Josefa Dietrichsteina (1767-1854) byly posledními, které měnily tvář zámeckého areálu.
Tragicky se zapsala do dějin mikulovského zámku druhá světová válka. V samém jejím závěru během osvobozovacích bojů 22. 4. 1945 zámek vyhořel. Díky iniciativě Spolku pro obnovu mikulovského zámku byl podle plánů brněnského architekta Otakara Oplatka v průběhu padesátých let 20. století zámecký areál obnoven - při citlivém zachování barokního charakteru. Vnitřní úpravy respektovaly nové určení objektu pro muzeum mikulovského regionu, které v zámku nyní sídlí a spravuje jej.