A király 1409-ben már hosszabb időt töltött itt, tehát ezidőre elkészülhetett az első királyi palota. A négy saroktorony között álló palotaszárnyak berendezéséről néhány kőfaragvány árulkodik csupán. A várat keleten a Zsigmond alatt kialakított tó, délen és nyugaton a tó vizével elárasztott, 12-14 méter mélységű várárok védte. A vár kaputornya az északkeleti saroktorony mellé épült, ahonnan a kápolna melletti bejárathoz gyorsan el lehetett jutni. A várban tartózkodók kényelmét egy hypocaustum rendszerű fűtés biztosította, valamint egy sziklába vájt borospince is kiegészítette az épületet. A 16. században omladékkal feltöltött pince őrizte meg a 15. századi vár legszebb emlékeit.

Zsigmond király, később német-római császár az oklevelek szerint sokszor hónapokat töltött a várban, amely fontos diplomáciai eseményeknek is otthont adott.

Miután Zsigmond figyelmét egyre jobban az európai ügyek kötötték le, az elzálogosított tatai várat Rozgonyi családnak adta át, akiktől csak Mátyás szerezte vissza a korona számára 1472-ben.

Bonfini az általa ismert itáliai vízi várakhoz hasonlónak írta le. Mátyás a korábbi épületet teraszok, kerengő és kaputorony hozzáépítésével igazi reneszánsz berendezésű palotává alakíttatta, melynek fényét aranyozás, díszes faragások, szobrok emelték. Pompás zöld- és vegyes mázas kályhák álltak a termekben, melyek közül egyet sikerült a leletek alapján rekonstruálni. A zöldmázas lovagalakos kályha hűen idézi a tatai vár virágkorának szépségét. 1472 után elsősorban a húsvéti és pünkösdi ünnepeket töltötte itt a királyi udvar, kihasználva a remek vadászati lehetőségeket. Mátyás halála után II. Ulászló kedvelt mellékrezidenciája vált a vár, amiben további bővítésekre, díszítésekre került sor. Az utolsó jelentős, részben a várban játszódó esemény az 1510-es országgyűlés volt, amit a korszak egyik legjelentősebb diplomáciai eseményeként tartottak számon.

A mohácsi vész után a vár szerepe teljesen megváltozott: a török ellen kiépült végvári rendszer egyik fontos része lett, melynek feladata a Komárom felé tartó török seregek feltartóztatása volt.

1543-ra készült el a napjainkban is álló kör alakú bástya, a rondella. Az 1566 után újra a keresztények kezére került várban olasz hadmérnökök tervei alapján indultak meg az erődítési munkák. 1572-ig elkészült az egyik várkapitány nevét őrző Ferrando-bástya, majd néhány évvel később az akkori tatai várkapitányról elnevezett Rosenberg-bástya a tóparti védőfallal és a kazamatával együtt. A legkorszerűbb, szintén olasz rendszerű bástya, a szintén földalatti kazamatákkal és ágyúteremmel ellátott ún. Kecske-bástya 1586-ra épült meg. A kettős kapubejáró felvonóhíddal, a bástyák körül létrehozott újabb vizesárokba épített pillérrel készült el. A váron belül kis malom is működött.

A török háborúkat követően a vár első átépítésére 1727 után került sor, amikor a helyén szerették volna a kastélyt felépíteni. Szerencsére csak a belső vizesárkok feltöltésére és a romos épületszárnyak elbontására került sor.1815-ben  az eredetileg nyitott kerengő átalakításával épült ki a jelenlegi ún. Lovagterem. A második nagy átépítés során, az 1897-es császári hadgyakorlatra készülve készítették a terem historikus- romantikus, háromosztású neoromán ablaksorát.

1954 óta a tatai vár a Kuny Domokos Múzeumnak ad otthont. 1964-73 között zajlott az épület ásatása és műemléki helyreállítása.