I 1606 opkøbte Christian IV nogle grunde uden for den daværende Nørrevold. Her anlagde han Kongens Have. Samme år startede han opførelsen af et lille lystslot i haven – en toetagers bygning halvt så lang som det nuværende Rosenborg. Lystslottet skulle være et åndehul som modvægt til det gamle og indelukkede Københavns Slot.
I 1613-15 blev Rosenborg udvidet til dets fulde længde. I 1616-24 blev bygningen forhøjet med en etage, der rummer den lange Riddersal. Samtidig opførte man et cirka 50 meter højt tårn på vestsiden, og på østsiden blev to karnapper ombygget til to mindre tårne. Først i 1633-34 færdiggjordes slottets østside med et fritstående, ottekantet trappetårn, der var forbundet med hovedhuset via et kort galleri med sandstensudsmykninger.
Selvom der altså fra starten ikke var en overordnet plan, endte slottet alligevel med at udgøre en fin helhed i nederlandsk renæssance. Christian IV har højst sandsynligt haft afgørende indflydelse på udformningen, og slægtskabet med det lidt ældre Frederiksborg Slot i Hillerød er tydelig. Kongen har dog muligvis fået hjælp af arkitekten Hans van Steenwinckel den yngre.
Kongens og dronningens private gemakker lå i stueetagen, hvis rumfordeling stort set er uændret. Her fik Christian IV lavet lydkanaler i væggene, så hans gæster kunne underholdes med musik fra et orkester, der sad skjult i kælderen. Førstesalen blev ændret en del under Frederik IV, mens andensalen stadig rummer den overdådige riddersal. Her ses de oprindelige kaminer og et fornemt stukloft fra 1706-07.
I begyndelsen af 1700-tallet blev ydermurene efter tidens mode overmalet med grå maling. I begyndelsen af 1800-tallet forsøgte man at genskabe det oprindelige udseende med rød maling opdelt af sorte fuger. Fra 1866 stod arkitekten Ferdinand Meldahl for en omfattende restaurering, der blandt andet fjernede overmalingerne og udskiftede store dele af murværkets sandsten.
Rosenborg blev brugt som de kongeliges lystslot frem til cirka 1710. På det tidspunkt opgav Christian IV’s oldebarn Frederik IV slottet til fordel for andre og mere tidssvarende sommerboliger. Herefter blev Rosenborg museum for kongehusets mest kostbare skatte heriblandt kronjuvelerne. Slottet åbnede for offentligheden i 1838, og der er stadig adgang til både slottet og rigets kronjuveler.
