Tarnów został lokowany 7 marca 1330 roku jako prywatne miasto należące do wojewody krakowskiego, protoplasty rodu tarnowskich Leliwitów - Spycimira. Pierwsze wzmianki o drewnianym lub drewniano-murowanym ratuszu pochodzą z dokumentów z połowy XV wieku. Budynek ten spłonął wraz z całym miastem podczas wielkiej pożogi w 1496 roku.
Kolejna murowana w stylu gotyckim siedziba władz miejskich powstała na początku XVI wieku. Pierwotnie były to dwa parterowe budynki rozdzielone “dołem złoczyńców”, czyli cembrowaną studnią o średnicy ok. 3 metrów, służącą za miejskie więzienie. W budynku znajdującym się po stronie wschodniej znajdowała się prawdopodobnie siedziba sądu. Wyposażony w wieżę budynek zachodni był siedzibą rady miasta. Jeszcze w pierwszej ćwierci XVI w budynki zostały połączone i nadbudowane o piętro. Murowana wieża pełniła funkcję obserwacyjną. Przez okrągłą dobę straże miejskie wypatrywały z niej pożarów.
Druga połowa XVI wieku przyniosła kolejną przebudową, podczas której ratusz zyskał renesansowy wygląd zbliżony do dzisiejszego. Wtedy to powstała zachodnia, podpiwniczona część budynku oraz zasłaniająca dach wysoka attyka wzorowana na krakowskich sukiennicach. W pustych dziś blendach attyki widniały portrety kolejnych właścicieli miasta (usunięte pod koniec XVIII wieku). Na zwieńczeniu attyki umieszczono 14 maszkaronów, których liczba odpowiadała liczbie miejskich rajców. Wieża ratusza została podniesiona do wysokości 28 metrów i wyposażona w zadaszony ganek zwieńczony blaszaną Leliwą, użytkowany do II wojny światowej przez straż pożarną. W 1846 roku Leliwa została zastąpiona istniejącym do dziś herbem Pogoń, należącym do nowego właściciela miasta, księcia Władysława Sanguszko.
W czasie pożaru w 1663 roku zniszczeniu uległ zegar na wieży. Zachowały się jedynie jego dzwony wykonane w 1631 roku, które są dziś eksponowane w Sali Pospólstwa. Nowy, funkcjonujący do dziś zegar jest obecnie najstarszym sprawnym zegarem wieżowym w Małopolsce.
Kolejna duża przebudowa, wg projektu Szczęsnego Zaręby, miała miejsce w latach 1889-1892. Zmianie uległy wtedy głównie wnętrza budynku, zaś z bryły ratusza usunięte zostały szpecące go przybudówki.
30 października 1918 r. burmistrz Tadeusz Tertil ogłosił w Sali Pospólstwa tarnowskiego ratusza uchwałę rady miejskiej podporządkowując Tarnów władzom tworzącego się Państwa Polskiego. Tym samym Tarnów stał się pierwszym niepodległym polskim miastem po okresie rozbiorów.
Kolejny duży remont prowadzony był w latach 1925–1929. Od 1945 r. w ratuszu funkcjonowało Muzeum Ziemi Tarnowskiej a następnie Muzeum Okręgowego w Tarnowie.
Dzisiejszy ratusz posiada formę architektoniczną bardzo zbliżoną do tej, nadanej mu w latach 70-tych XVI wieku. Wejście wciąż zdobi renesansowy portal z umieszczoną na belkowaniu sentencją DOMINUS CUSTODIAT INTROITUM EX EXITUM TUUM” – NIECH PAN STRZEŻE WEJŚCIA I WYJŚCIA TWEGO. Można też znaleźć w nim starsze elementy, jak dawny, gotycki portal wejściowy znajdujący się dziś wewnątrz budynku.