Concebido como un monumento que debía acreditar el progreso intelectual y artístico alcanzado en el Perú del siglo XIX, el Palacio y Parque de la Exposición fue una de las más importantes obras arquitectónicas de los años finales de la Era del Guano. Su construcción fue proyectada bajo el gobierno del presidente José Balta (1868-1872), con el fin de acoger una gran exposición nacional en el marco de las celebraciones por el cincuentenario de la Independencia del Perú. La obra, que demandaría grandes recursos públicos, fue decretada el 2 de agosto de 1869. Su dirección y ornato se encomendó al periodista e intelectual limeño Manuel A. Fuentes, en tanto el diseño del edificio corrió a cargo del arquitecto y decorador genovés Antonio Leonardi. Inspirados en las grandes exposiciones universales europeas, Fuentes y Leonardi concibieron un edificio principal rodeado de un gran parque. El palacio, de dos niveles y patio central, se diseñó con una planta abierta, cuyos amplios espacios debían exhibir recursos naturales, máquinas industriales y obras artísticas. Para el diseño de la fachada Leonardi siguió de cerca modelos venecianos del Renacimiento, como el Palacio Palazzo Vendramin-Calergi. 

Para dotarla de grandes áreas circundantes el ingeniero italiano Luis Sada trazó el parque que se extendería sobre terrenos de la desaparecida muralla de Lima y los fundos colindantes. Allí se distribuyeron jardines, pequeños pabellones, un zoológico y lagunas que recreaban un paisaje de inspiración pintoresquista. Por entonces se accedía al parque a través de arcos triunfales, para recorrer un conjunto ornamentado con esculturas, fuentes y el gran reloj construido por el inventor peruano Pedro Ruiz Gallo. Concluida la construcción, se inauguró allí la Exposición Nacional el 1 de julio de 1872. En los amplios salones de la primera planta del edificio se exhibió la producción mineral, artística e industrial de 801 participantes nacionales y extranjeros. En el segundo nivel se instalaron suntuosos salones destinados al presidente y autoridades provistos de finos muebles, tapices y esculturas importados de Europa. Debido al éxito del proyecto, un jurado concedió a Fuentes el “gran premio de honor” mientras tanto Leonardi fue reconocido como "distinguísimo artista".

Diseñado en un estilo historicista distante de las sobrias edificaciones neoclásicas aparecidas en Lima desde inicios de la Era del Guano, el edificio fue considerado un símbolo de modernidad que ponía al país al nivel de las naciones europeas. El uso de mármoles en la ornamentación y las estructuras de hierro introdujeron nuevos referentes constructivos. El proyecto fue además un catalizador para la expansión urbana y proveyó a la ciudad de nuevos espacios de esparcimiento.. Fuentes consideró que, concluida la Exposición Nacional de 1872, el edificio debía ser “dispuesto para servir de museo nacional, de jardín zoológico, de taller de ornamentación y escultura, de exposición permanente de todo producto nuevo o desconocido”.

El Palacio de hecho sería sede del primer Museo Nacional, pero quedó considerablemente afectado durante la ocupación de Lima en la Guerra del Pacífico (1881-1883), tras instalarse en sus ambientes un hospital militar. No obstante, al concluir la guerra, se dio inicio a una etapa de recuperación del edificio. En 1889 el inmueble es cedido al Concejo Provincial de Lima que organiza tres años después una nueva Exposición Nacional con motivo del IV Centenario de la llegada de Cristóbal Colón a América. En tanto, en 1898 se trasladó a sus ambientes las obras que pertenecieron al afamado pintor Ignacio Merino, quien las legó a la ciudad a su muerte. Por entonces dichos eventos, coincidieron con la transformación del parque sobre el que se abrió el Paseo 9 de Diciembre. Esta nueva arteria urbana resignificó el entorno, convirtiéndolo en un lugar concurrido por la élite limeña.

Con la llegada del siglo XX, se funda en el Palacio el Museo de Historia Nacional en 1906, en el cual durante casi dos décadas se preservó las reliquias nacionales. Más aún, bajo el gobierno del presidente Augusto B. Leguía (1919-1930) el palacio y sus alrededores se integraron al programa cultural de la Patria Nueva. En aquel se reabrió la antigua pinacoteca municipal mientras que en el parque se erigieron monumentos y edificios, en el marco de las celebraciones de la Independencia del Perú. Tras la caída del régimen, el emblemático edificio es destinado por más de dos décadas a un uso administrativo, siendo sede de la Municipalidad de Lima y del Ministerio de Fomento. 

En 1954, con la constitución del Patronato de las Artes, se promueve la fundación del Museo de Arte de Lima en el Palacio de la Exposición, el cual sería ampliamente reformado. Con la inauguración del Museo en 1961, se exhibieron al público las colecciones procedentes de la “Memoria Prado”, piezas arqueológicas y artísticas que pertenecieron al intelectual Javier Prado y Ugarteche. Desde entonces y con su última remodelación (2008-2015), el Palacio de la Exposición se mantiene como un referente arquitectónico para la cultura de la capital.