Theo ghi chép của sách Đại Nam Nhất thống chí, Ngọ Môn được xây dựng vào năm Minh Mạng thứ 14 (1833), khi triều Nguyễn tổ chức quy hoạch lại toàn bộ mặt bằng kiến trúc Hoàng thành. Nguyên tại vị trí này trước đây là Nam Khuyết Đài, được xây dựng vào đầu thời vua Gia Long.
Về tổng thể, Ngọ Môn được chia làm hai phần chính, gồm phần nền đài và lầu Ngũ Phụng. Ngoài chức năng là cổng chính ra vào Hoàng cung thì đây còn là một lễ đài trong nhiều sự kiện trọng đại của triều đình. Đây là nơi vua ngự xem duyệt binh, dự các lễ Truyền lô - xướng danh các sĩ tử thi đỗ tiến sĩ, lễ Ban sóc (ban bố lịch vào năm mới cho cả nước)… Đặc biệt vào năm 1945, chính tại nơi đây, vua Bảo Đại đã tuyên bố thoái vị, trao ấn kiếm lại cho cách mạng và chính thức nền phong kiến Việt Nam cáo chung.
Sau ngày đất nước được thống nhất, được sự quan tâm của Đảng, Nhà nước và hỗ trợ của các tổ chức quốc tế, Ngọ Môn đã trải qua rất nhiều đợt trùng tu, sửa chữa, trong đó phải kể đến đợt tu bổ Ngọ Môn với quy mô lớn đã được tiến hành từ năm 1990 -1993, có sự tài trợ của Chính phủ Nhật Bản và hỗ trợ kỹ thuật của UNESCO. Sau đợt tu bổ này, tình trạng kỹ thuật lầu Ngũ Phụng đã được cải thiện rõ rệt. Đến năm 1999, Ngọ Môn được tiếp tục trùng tu, sửa chữa với hạng mục phục hồi đá thanh bị hỏng cho 5 cửa.
Năm 2012, sau khi được các cấp có thẩm quyền phê duyệt, dự án trùng tu tổng thể Ngọ Môn chính thức được triển khai với số vốn đầu tư hơn 80 tỷ đồng, chia làm 2 giai đoạn 2012-2015 và 2016-2019.
Ở đợt trùng tu kéo dài từ năm 2012 đến 2019, Ngọ Môn được trùng tu toàn diện, trong đó có rất nhiều hạng mục quan trọng như: Tu bổ phần nền đài và lầu Ngũ Phụng (gia cố nền móng, vệ sinh thân đài, tu bổ lan can, nền gạch cũng như sửa chữa hệ thống vòm cửa phía dưới thân đài); phục chế phần trang trí mái và xử lý bảo quản, chống mối cho công trình; sơn thếp toàn bộ cấu kiện gỗ lầu Ngũ Phụng (hai tầng nhà chính và Tả, Hữu Dực Lâu) bằng kỹ thuật sơn truyền thống; hệ thống chiếu sáng nội thất, chống cháy theo kỹ thuật hiện đại và tiêu chuẩn Việt Nam ban hành…
