Budowla dobrze widoczna jest od strony trasy W-Z oraz Wisłostrady na wysokości mostu Śląsko-Dąbrowskiego. Swoją nazwę zawdzięcza rzadko stosowanemu w stolicy w wieku XVII blaszanemu dachowi. Pałac pod Blachą powstał w 1700 r. Ale właściwie początki jego sięgają roku 1651. Wtedy to, w miejscu obecnego Pałacu, Wawrzyniec Reffos wybudował piętrową kamienicę. W 1657 r. w czasie szturmu na stolicę wojsk Stefana Rakoczego, kamienica Reffosów uległa dewastacji. Rok później przekazano zniszczony budynek w użytkowanie podkomorzemu koronnemu, księciu Jerzemu Dominikowi Lubomirskiemu. Do kamienicy dodał on pałacową elewację zachodnią. Dobudował też prostopadłe skrzydło południowe. Lubomirskiego uważa się za twórcę Pałacu pod Blachą. Budynek zyskał jeszcze bardziej dostojny wygląd, kiedy w 1720 r. ozdobiono go rokokowymi dekoracjami. Dobudowano także do Pałacu drugie boczne skrzydło. W ten sposób zyskał on dziedziniec.
W czasach tuż po wybudowaniu Pałacu nazywano go czasem, od imienia wnuka fundatora - Palais Martin. W późniejszych czasach Pałac pod Blachą funkcjonował także pod nazwą Pałac Lubomirskich.
Król Stanisław August Poniatowski odkupił Pałac od Lubomirskich w 1777 r. Włączając go do zabudowań zamkowych, postanowił przebudować jego wnętrze. Prace zlecił architektowi Dominikowi Merliniemu. Budynek Pałacu połączono wtedy z nowo wybudowanym skrzydłem bibliotecznym Zamku Królewskiego.
W dalszych latach Pałac pod względem przeznaczenia przechodził zmienne koleje losu. Na krótko stał się głównym ośrodkiem życia towarzyskiego stolicy. Było to za czasów księcia Józefa Poniatowskiego, który w latach 1794-1813 obrał sobie pałac za rezydencję. W czasie rządów pruskich, budynek stał się siedzibą Ministra Wojny. Zaś w okresie międzywojennym, podobnie jak Zamek Królewski, budynkiem rządowym. Mieściły się tu biura, biblioteka wojskowa a także Dyrekcja Państwowych Zbiorów Sztuki.
Pałac pod Blachą, podobnie jak większość zabytkowych budowli stolicy, nie ostał się przed hitlerowskimi zniszczeniami. W 1944 r. uległ spaleniu. Jednak bardzo szybko, bo już cztery lata później, doczekał się odbudowy. Wygląd pałacu zrekonstruowano na podstawie obrazów Bernardo Bellotto Canaletta.
W ostatnich latach Pałac poddano gruntownemu remontowi z uwagi na zły stan fundamentów. W połowie października ubiegłego roku, w czasie tych prac dokonano, niezwykłego odkrycia. Pod dziedzińcem pałacowym znaleziono relikty średniowiecznego grodziska z przełomu XIII i XIV w., które uważa się za zalążek miasta. Odkrycie było o tyle cenne, iż wcześniej określano położenie grodziska na mniejszym obszarze - tylko w miejscu obecnego Zamku Królewskiego.
Pałac pod Blachą kryje jeszcze jedną tajemnicę. Na jego tyłach, w stoku skarpy, znajduje się piwnica z dawną lożą masońską, z II połowy XVII w., dekorowana posągami bóstw greckich.
Obecnie w Pałacu pod Blachą znajduje się unikatowa kolekcja cennych kobierców wschodnich, ofiarowana przez Teresę Sahakian. Jest największym na świecie zbiorem tkanin kaukaskich.