Cung được khởi công xây dựng từ năm Minh Mạng thứ 1 (1821), với tên ban đầu là cung Trường Ninh. Kiến trúc ban đầu xếp theo hình chữ tam, gồm một điện chính ở giữa, một điện phía trước, một lầu phía sau và một số công trình phụ ở xung quanh. Năm Thiệu Trị thứ 6 (1846), cung Trường Ninh được tu sửa, kiến trúc Cung được nâng cấp về quy mô. Trục kiến trúc chính xếp theo hình chữ Vương, trong đó điện Thọ Khang được đặt chính giữa, tòa Ngũ Đại Đồng Đường đặt phía trước, lầu Vạn Phúc đứng sau cùng. Ba tòa nhà này có nền nối liền nhau bằng hệ thống hành lang thông suốt.

Quanh trục kiến trúc này có nhiều công trình khác. Phía trước nhà Ngũ Đại Đồng Đường có Phường Môn. Phía sau lầu Vạn Phúc có xếp mấy ngọn giả sơn như núi Bảo Sơn, núi Kình Ngư, núi Hổ Tôn... Vòng quanh cung có lạch nước Đào Nguyên nối qua hồ Nội Kim Thủy ở phía bắc. Trên lạch có bắc những cây cầu sơn đỏ để đi qua.

Cung Trường Ninh ban đầu có vai trò như một hoa viên và là nơi các vua Nguyễn thường mời mẹ mình đến thăm thú “thưởng tiết ưu du”. Về cuối triều Nguyễn, cung lại trở thành nơi ăn ở sinh hoạt của một số bà hoàng thái hậu, thái hoàng thái hậu như bà Lệ Thiên (vợ vua Tự Đức), bà Từ Minh (vợ vua Dục Đức), bà Tiên Cung (vợ vua Đồng Khánh)... 

Năm 1923, vua Khải Định cho tu bổ Cung đổi tên thành Trường Sanh và dựng thêm hai tòa nhà để xe ở phía trước, gần cổng vào cung. 

Đến nay, trải qua thời gian và các biến động lịch sử, kiến trúc Cung Trường Sanh đã có nhiều thay đổi và phần nhiều đã bị xuống cấp nghiêm trọng. Tuy nhiên, vào thời hoàng kim Cung Trường Sanh đã từng được vua Thiệu Trị xếp vào hàng thứ bảy của thắng cảnh đất Thần Kinh.