После присоединения Крыма к Российской империи владельцами Массандры были французский контр-адмирал принц Карл Нассау-Зиген, помещик Матвей Никитин, Софья Константиновна Потоцкая, Ольга Станиславовна Нарышкина, Александра Васильевна Браницкая и семейство Воронцовых. В 1881 году князь Семён Михайлович Воронцов начал строительство дворца по проекту Этьена Бушара в стиле Людовика XIII. Однако в 1882 году, после смерти князя, работы были приостановлены.

В 1889 году имение приобрело Удельное ведомство для императора Александра III. Архитектор П. К. Теребенев описывал состояние дворца на момент покупки как двухэтажное каменное здание с подвалом, построенное из местного известняка, с цинковой крышей и мансардными окнами. Внутри были установлены железные балки, но остальные части здания отсутствовали. Стоимость постройки оценивалась в 85 тысяч рублей. С 1892 по 1902 год Максимилиан Месмахер продолжил строительство, сохранив размеры и стиль, но преобразив здание, превратив его в сказочный терем. Руководил строительством архитектор Оскар Эмильевич Вегенер. Дворец принадлежал Александру III, затем Николаю II. Императоры часто посещали его, но никогда не оставались на ночь.

В 1822 году при Ольге Нарышкиной знаменитый садовник Карл Кебах создал в Массандре парк в английском стиле, заменив дубово-грабовый лес. Были проложены дорожки, устроены аллеи и цветники. Под руководством Кебаха в парке посадили можжевельники, кедры, кипарисы, средиземноморские сосны, а также экзотические фруктовые деревья. Сейчас это один из лучших ландшафтных парков площадью 42 гектара.

С 1929 по 1941 год дворец служил санаторием «Пролетарское здоровье» для больных туберкулёзом. В послевоенные годы его занял Институт виноградарства и виноделия «Магарач», но ненадолго. С 1948 года здесь находилась государственная дача, известная как «Сталинская», где отдыхали Сталин, Хрущев и Брежнев.

После обретения Украиной независимости в 1992 году во дворце открылся музей. В 1993 году здесь подписали четыре украино-российских соглашения, известные как Массандровские.

Во дворце сохранились уникальные предметы быта, такие как камин из цельного куска коричневого мрамора и люстры ручной работы. Также сохранилась встроенная мебель из красного дерева и зеркала. Некоторые элементы оформления стен и сводов не уцелели, но в целом дворец остаётся уютным семейным жилищем, как и более 100 лет назад.

После присоединения Крыма к России в 2014 году дворец перешёл под управление Управления Делами Президента Российской Федерации.

1 июня 2017 года на территории Массандровского дворца был открыт бронзовый бюст императору Александру III, созданный скульптором А. А. Аполлоновым.

В 2018 и 2019 годах на территории дворца проходили съёмки третьего сезона сериала «Екатерина». Дворец изображал резиденцию короля Неаполя, где скрывалась княжна Тараканова.