Pierwsze wzmianki o ratuszu pochodzą z lat 1448 i 1463. Był to budynek drewniany lub drewniano-murowany, w którym działała rada miejska i sąd, który spłonął z całą zabudową miasta w 1494 roku. Na jego miejscu powstały dwa gotyckie, ceglane, jednokondygnacyjne, niepodpiwniczone budynki, do których od zachodu przylegała kwadratowa wieża zegarowa. Między nimi ocembrowana studnia głębokości 3 metrów, zwana dołem złoczyńców, pełniła funkcję miejskiego więzienia. W XVI wieku połączono i nadbudowano oba budynki w stylu późnogotyckim. W latach 70. XVI wieku, właściciel miasta hetman Jan Amor Tarnowski, rozpoczął renesansową przebudowę, która nadała ratuszowi obecny wygląd. Budynek powiększono o podpiwniczoną część. Prostą, kubiczną bryłę zwieńczono wysoką, ceglaną attyką kryjącą dach pogrążony, ozdobioną blendami z portretami właścicieli miasta z rodu Tarnowskich. Dekoracyjny element attyki czyli grzebień, wykończono sterczynami i maszkaronami połączonymi esownicami. W narożniku budowli dodano ryzalit z klatką schodową. Wejściowy portal z kamienia pińczowskiego ozdobiono herbem Leliwa i belkowaniem. Podwyższono wieżę o część cylindryczną do wysokości 28 metrów, na szczycie umieszczono podwieszony ganek dla straży ostrzegającej przed pożarami i najazdami. Po przebudowie wnętrz na piętrze znalazła się sala posiedzeń rady miejskiej i sądu wójtowsko-ławniczego oraz skarbiec.

W 1631 roku Paweł Bielski wykonał dzwony do zegara, który spłonął w 1663 roku. Zegar zamontowany w wieży po odbudowie ratusza funkcjonuje do dziś i jest najstarszym chodzącym zegarem wieżowym w Małopolsce. W 1727 roku Gabriel Malinowski wykonał polichromię w Sali Pospólstwa. W 1768 roku ratusz ograbiły wojska rosyjskie, w 1792 roku spłonął dach. Kolejne wieki nie przyniosły istotnych zmian w wyglądzie budynku.

W 1862 roku odnowiono budynek, w latach 1889–1892 przebudowano go w duchu historyzmu według projektu Szczęsnego Zaremby. Zachowano zewnętrzną bryłę, ale znacznie zmieniono wnętrza, wyburzono zniszczone sklepienia, oryginalne kolebkowe pozostały w części wschodniej. Na piętrze Salę Rady poszerzono i ozdobiono neorenesansowymi stiukami, dodano wejściowy renesansowy portal, wnętrze klatki schodowej otrzymało rzeźbioną dekorację heraldyczną.

W latach 1925–1929 przeprowadzono remont budynku. W 1931 roku wspólną wystawę Muzeów Diecezjalnego i Miasta Tarnowa. W 1940 roku usunięto zbiory, a w ratuszu miał siedzibę niemiecki Magistrat. Od 1945 roku Muzeum Ziemi Tarnowskiej przechowywano w ratuszu dzieła sztuki, zbiory biblioteczne i archiwalia z opuszczonych pałaców i dworów. Największą część stanowiły zbiory z pałacu Sanguszków w Gumniskach. W latach 1962–1968 przeprowadzono rewaloryzację budynku na cele muzealne, na attyce osadzono oryginalne maszkarony, w Sali Pospólstwa wyeksponowano polichromie z XVIII wieku. W 1970 roku urządzono stałą wystawę Muzeum Okręgowego. W 1980 roku uruchomiono zegar wieżowy, dzwony zegarowe można obejrzeć w Sali Pospólstwa.

Dziś na szczycie gotycko-renesansowej wieży znajduje się ganek ze stanowiskiem straży ogniowej. W południe z wieży rozlega się hejnał tarnowski skomponowany przez Stanisława Rzepeckiego w 1972 roku. Z wieży, na którą wiodą strome schody, można podziwiać panoramę miasta. Galeria Sztuki Dawnej eksponuje zbiory książąt Sanguszków. Są na niej wystawy poświęcone: polskiej kulturze szlacheckiej, polskim i orientalnym militariom z XVII–XIX wieku w zbrojowni sarmackiej, broni palnej do polowań i sportu, samoobrony i pojedynków w zbrojowni myśliwskiej. W Sali Rady jest ekspozycja porcelany i szkła, a w Sali Pospólstwa Galeria Portretu Staropolskiego. Na płycie rynku za przeszkleniem znajduje się studnia czyli dawny dół złoczyńców.

Ostatni remont przeprowadzono w pierwszym dziesięcioleciu XXI wieku.