Este palácio foi construído a partir de 1624 pelo Cardeal de Richelieu com projeto do arquiteto Jacques Lemercier e ficou conhecido na época como Palais Cardinal. Em seu testamento Richelieu legou o edifício para a coroa real.
Depois da morte do rei Luís XIII em 1643, e até 1652, o edifício foi ocupado pela rainha-mãe, Ana da Áustria, pelo jovem rei Luís XIV e pelo Cardeal Mazarino. Nesse período adquiriu a denominação que mantém até hoje.
Em 1661 Luís XIV mudou-se para o Palácio do Louvre e o Palais Royal passou para seu irmão, Filipe, Duque de Orleans. O filho deste, Filipe II, herdou o palácio e após a morte do rei, em 1715, foi regente da França devido à minoridade de Luís XV, que herdou o trono com a idade de 5 anos.
Conhecido também como Philippe-Égalité – Felipe Igualdade, ele ordenou a reforma dos jardins e a construção do conjunto de alas com colunas e galerias de comércio no térreo e apartamentos residenciais no primeiro andar. Projetado pelo arquiteto Victor Louis, o conjunto foi ladeado por três novas ruas, batizadas com os títulos de cada um dos filhos do barão: Valois, Beaujolais e Montpensier.
O Palais Cardinal foi em grande parte destruído pelo fogo no dia 6 de abril de 1763, durante um incêndio que começou na sala de teatro. Entre os principais vestígios remanescentes está a galeria de Valois com os símbolos náuticos que ornam as paredes, proas de galeras mediterrâneas e âncoras.
Essa galeria, durante a Revolução Francesa, foi cenário de um episódio trágico. No dia 20 de janeiro de 1793, o deputado Lepeletier de Saint-Fargeau, que havia votado a favor da pena de morte para Luís XVI, foi assassinado por um monarquista numa sala do restaurante Fevrier, instalado nos nº 114-118.