Pierwotna zabudowa śródrynkowa narastała stopniowo w czasie XIII i XIV w. Dom kupiecki mieszczący sukiennice (domus forensis) został wzniesiony prawdopodobnie na miejscu obecnego zachodniego skrzydła na podstawie przywileju mistrza pruskiego Gerharda von Hirzberga z 1259 roku. Z 1274 roku pochodzi następny przywilej na budowę wieży oraz kramów i ław chlebowych, na miejscu dzisiejszego wschodniego skrzydła ratusza. Według rekonstrukcji E. Gąsiorowskiego w końcu XIII wieku zabudowa Rynku Staromiejskiego składała się z dwóch wydłużonych, równoległych budynków. Od zachodu znajdował się piętrowy dom kupiecki (sukiennic), a od wschodu budynek mieszczący kramy i ławy chlebowe. Ściany szczytowe obu budynków były połączone murami kurtynowymi, a do ław i kramów chlebowych przylegała od południa wieża, nadbudowana o dwie kondygnacje w 1385 roku i zachowana w tej formie do dzisiaj.

Obecny kształt ratusz zawdzięcza głównie szeroko zakrojonej inwestycji budowlanej z lat 1391-1399, prowadzonej w stylu gotyckim, prawdopodobnie pod kierunkiem polskiego budowniczego miejskiego, mistrza Andrzeja, na podstawie przywileju wielkiego mistrza Konrada von Wallenrode z 1393 roku (przywilej wystawiono już w czasie trwania budowy). Wyburzono wówczas stare budynki handlowe, pozostawiając jedynie wieżę, i dokonano połączenia funkcji administracyjnych, handlowych i sądowniczych w jednym budynku, co było rozwiązaniem unikalnym w ówczesnej Europie. Ratusz zyskał formę czteroskrzydłowego budynku na planie prostokąta o wymiarach 44 × 52 m, z wewnętrznym dziedzińcem dostępnym z przez cztery przelotowe bramy znajdujące się pośrodku każdego ze skrzydeł. Wieża została zbudowana na wzór flandryjskich wież beffroi[2]. Wieża została przykryta wysokim gotyckim hełmem (zniszczonym w 1703 roku), stanowiącym charakterystyczny element dawnej panoramy miasta.

Manierystyczna przebudowa w latach 1602-1605, z inicjatywy burmistrza Henryka Strobanda i prawdopodobnie według projektu Antoniego van Obberghena polegała na podwyższeniu gmachu o jedno piętro. Nie zatarła ona gotyckiego charakteru ratusza, gdyż architekt przedłużając gotyckie wnęki zakończył je ostrymi łukami, wprowadziła natomiast elementy znane z architektury Gdańska – narożne nadwieszone wieżyczki i szczyty o niderlandyzującej dekoracji pośrodku każdego ze skrzydeł. Przebudowa toruńskiego ratusza jest ciekawym świadectwem uszanowania gotyckiej formy przez manierystycznego architekta.

W roku 1703 w czasie oblężenia miasta przez wojska szwedzkie doszło do poważnego pożaru ratusza. W jego wyniku uległ zniszczeniu prawie cały wystrój wnętrz, zawaliły się szczyty, a budynek do 1722 roku pozostawał bez dachu. W latach 1722-1737 dokonano odbudowy – wzniesiono nowe szczyty, odtworzono wnętrza, a od zachodu dobudowano ryzalit o późnobarokowych formach mający wzmocnić grożącą zawaleniem ścianę. Istniały również projekty przebudowy całego ratusza w stylu późnobarokowym, opracowane przez G.B. Cocchiego. W 1869 roku barokowy ryzalit zastąpiono zachowanym do dzisiaj neogotyckim. W XIX wieku dokonano również przebudowy niektórych wnętrz.

W latach 1957-1964 przeprowadzono generalny remont i adaptację na potrzeby muzeum. Do najważniejszych prac należało wzmocnienie murów i sklepień, przywrócenie wnętrzom dawnego wyglądu przez wyburzenie ścian działowych z XIX w., odsłonięcie niektórych średniowiecznych elementów architektonicznych, zamurowanych w późniejszym czasie. Zastąpiono wtedy również drewnianą więźbę dachową z XVIII w. nową wykonaną z elementów stalowych.

W latach 2003-2005 prowadzone były prace restauracyjne, w wyniku których dawny blask przywrócono wieży (odtworzono maswerkowe dekoracje malarskie, wyremontowano taras widokowy i zegar), wszystkim elewacjom (w tym także elewacjom wewnętrznym dziedzińca), czterem wieżyczkom narożnym oraz wyremontowano dach i wykonano iluminację budynku.