Sơ khởi, thành là một đồn lũy của chúa Nguyễn xứ Đàng Trong. Năm 1653, chúa Nguyễn Phúc Tần cho quân nam tiến và chiếm vùng đất này, lập dinh Thái Khang và hệ thống đồn lũy phòng thủ. Năm 1690, dinh Thái Khang được đổi tên thành Bình Khang, sau đó là thành Diên Khánh. Năm 1775, quân Tây Sơn do Nguyễn Huệ chỉ huy chiếm được vùng đất Phú Yên, Bình Khang, Diên Khánh. Năm 1792, Nguyễn Huệ mất, nhà Tây Sơn suy yếu. Sau đó 1 năm, quân Nguyễn Ánh tái chiếm vùng đất này và Nguyễn Ánh đã xây dựng Diên Khánh thành căn cứ quân sự để phòng ngự, kiểm soát khu vực Nam Trung Bộ.
Thành Diên Khánh được xây theo kiểu Vauban, có diện tích 36.000m2, chu vi 2.693m. Mặt bằng thành có hình lục giác không đều với 6 cửa, hiện chỉ còn cửa Tiền (phía nam), cửa Đông, cửa Tây, cửa Hậu (phía bắc). Tường thành được đắp bằng đất cao khoảng 3,5m. Mặt ngoài thành dựng đứng, mặt trong dốc thoải. Bên ngoài tường thành có hào nước sâu khoảng 3 - 5m, rộng 20 - 30m. Các cổng thành được xây hai tầng bằng gạch. Tầng dưới gắn liền với tường thành, có lối đi xây cuốn vòm; tầng trên là vọng lâu xây kiểu cổ lầu lợp mái ngói. Trong thành có nhiều công trình kiến trúc quan trọng như: Hoàng cung, dinh Tuần vũ, dinh án sát, dinh Lãnh binh, nhà lao, nhà kho... Sau này, thành Diên Khánh trở thành trung tâm chính trị, kinh tế, văn hóa của tỉnh Khánh Hòa thời nhà Nguyễn (1802 - 1945).
Năm 1885, khi kinh đô Huế thất thủ, vua Hàm Nghi chạy ra Tân Sở (Quảng Trị), ra chiếu Cần Vương kêu gọi nhân dân cả nước khởi nghĩa chống Pháp. Tại Khánh Hòa, thành Diên Khánh trở thành Tổng hành dinh của nghĩa quân Cần Vương do Trịnh Phong chỉ huy.
Ngày 19-8-1945, dưới sự lãnh đạo của Đảng bộ Khánh Hòa, trực tiếp là Đảng bộ Diên Khánh, các đội Thanh niên tự vệ đã dẫn quần chúng cách mạng tiến vào thành Diên Khánh giành chính quyền, góp phần vào thắng lợi chung của Cách mạng Tháng Tám trên cả nước.
Thành cổ Diên Khánh ngày nay đã bị phá hủy gần hết. Tuy vậy, cấu trúc thành vẫn còn nguyên vẹn với tường thành, hào nước và các cổng thành. Công trình đã được xếp hạng Di tích lịch sử cấp quốc gia năm 1988.
