این عمارت قدیمی در زمان ناصرالدین شاه احداث شده و ظاهرا این پادشاه خوشگذران با دیدن بناها و عمارات مرتفع کشورهای اروپایی هوس می‌کند بنای مرتفعی نظیر بناهای فرنگستان در تهران خود ایجاد نماید.
ناصرالدین شاه در سال 1282 تصمیم خود را با دوستعلی‌خان نظام‌الدوله معیرالممالک در میان نهاده و وی را مأمور ساخت قصر زیبایی در سمت شرق ارگ سلطنتی احداث کند.
کار ساخت این بنای عظیم طی 2 سال به پایان می‌رسد و در سال 1284 شاه این قصر زیبای 5 طبقه را افتتاح می‌کند. در سال 1284 به مناسبت اتمام این بنای عظیم ، روزی را جشن گرفتند و ناصرالدین شاه در مراسم افتتاح آن حضور یافت.
حاج میرزا حسین خان سپهسالار نیز در مراسم افتتاح در رکاب شاه حاضرشد . شعرا با مدیحه های آبدار به شاه تهنیت گفتند و شاه پس از بازدید از قسمت های مختلف این بنای عظیم و تحسین بسیارروبه معیرالممالک کرده ، گفت: « به راستی که بنایی عالی ومجلل است ولی باید برای دولت گران تمام شده باشد.»
اعتماد السلطنه 10 سال پس از افتتاح این بنا، در وصف شمس العماره درروزنامه ایران که یک روزنامه دولتی بود می‌نویسد:«...دیگر کوچه و خیابان شمس العماره است که بهترین بناها و بهترین کوچه های تهران می باشد. این کوچه یک دروازه از آخر باغ و عمارت بادگیر و شمس العماره دارد که شاه اغلب از این در سوار شده به تفرج می روند ...»
کاخ شمس العماره از نظر نقشه و شکل ظاهری از ابنیه تاریخی و زیبای تهران است و آینه‌کاری‌ها و نقاشی‌ها و گچ‌بری‌های ازاره‌ها و دیوارها و سقف‌های آن از لحاظ شیوه‌های مختلف و متنوع معماری و نوع تزئینات داخلی قصرهای ایران بی‌نظیر است.
در این قصر مجلل معماری ایرانی و اروپایی تؤاما به کار رفته و کاشی‌کاری‌های نمای خارجی آن بسیار زیبا و جالب توجه می‌باشد.
ظاهرا دوستعلی‌خان نظام‌الدوله معیرالممالک (پدر داماد ناصرالدین شاه) طی هزینه‌ای گزاف که در آن زمان بالغ بر 40 هزار تومان می‌شده است این کاخ را ساخته و آن را به شاه هدیه می‌کند که سخت مورد توجه ناصرالدین شاه قرار می‌گیرد.
قصر شمس العماره در دوران قاجاریه از بناهای معظم آن عهد به شمار می‌آمد و نوع معماری آن با 5 اشکوبه زیبا، برج ساعت، ایوان‌های بلند و بادگیرهای مصفا شباهت زیادی به قصرهای آن زمان‌اروپا داشته است.
مورخان آن عهد نیز از آن به عنوان یکی از زیباترین کاخ‌های ایران یاد کرده‌اند. عمارت شمس العماره تالارهای آینه و ستون‌های بلند بزرگ از مرمر و راه‌پله‌ها نیز کلا از مرمر و مراتب زیادی الی بالای عمارت دارد. چهل ذرع ارتفاع این عمارت است و دو برج دارد با یک مهتابی که روی برج‌ها نشیمن‌عالی ساخته‌اند.
معمار این قصر زیبا بر اساس نوشته سر در این عمارت استاد علی‌محمد کاشی بوده است. کاخ شمس العماره در حال حاضر تحت نظارت سازمان میراث فرهنگی قرار دارد و جزو گنجینه نفیس آثار تاریخی تهران بشمار می‌رود.