В 1834 году Ливадия была приобретена графом Л. С. Потоцким у командира греческого Балаклавского батальона Ф. Ревелиотти. На территории имения Потоцкого, по проекту Ф. Ф. Эльсона, были построены господский дом, оранжереи и заложен ландшафтный парк.

С 1861 года Ливадийское имение стало летней резиденцией императора Александра II и его семьи. По проекту И. А. Монигетти дом графа Потоцкого был перестроен, возведены Большой дворец, дворец Наследника, Малый дворец, Свитский дом и кухня. Также была построена Крестовоздвиженская церковь. С 1871 года архитектором ливадийской резиденции стал А. Г. Венсан, который возвёл дачу «Эриклик», звонницу Крестовоздвиженской церкви, Рущукскую колонну, Вознесенскую церковь и другие постройки.

В 1894 году в Ливадии умер Александр III.

В 1911 году для императора Николая II был построен новый Белый дворец по проекту ялтинского архитектора Николая Петровича Краснова. По некоторым данным, Николай II потратил на дворец около 4 млн золотых рублей. Одним из помощников Краснова был Александр Ротач, впоследствии ставший известным художником и реставратором.

Между 1902 и 1916 годами в Ливадии были построены дворец министра двора барона Фредерикса, Свитский Пажеский корпус и другие сооружения. Большой дворец был разобран в 1910 году, на его месте появился Белый дворец, а Малый дворец был уничтожен во время Великой Отечественной войны.

Согласно статье 412 тома X части 1 Свода законов Российской империи, Ливадия являлась дворцовым имуществом Императорского Дома, личной собственностью его членов и могла быть завещана и делима.

После свержения Временного правительства большевиками на территории Ливадийского дворца находились органы министерства земледелия. 30 апреля 1918 года Ливадию заняли германские войска, начавшие разграбление дворца. В ноябре того же года её захватили белогвардейцы при поддержке союзников.

В 1925 году в бывшем царском дворце открылся санаторий для крестьян, который в 1931 году стал климатическим лечебным комбинатом. В 1927 году дворец посетил В. В. Маяковский, а в 1928 году, М. Горький.

С 4 по 11 февраля 1945 года в Ливадийском дворце проходила Ялтинская конференция, где встречались лидеры СССР, США и Великобритании, И. В. Сталин, Ф. Д. Рузвельт и У. Черчилль. Американская делегация во главе с Рузвельтом проживала в дворце.

В 1953 году санаторий был вновь открыт. 16 июля 1974 года Ливадийский дворец стал доступен для посетителей с двумя отделами: историко-мемориальным, где была представлена экспозиция «Крымская Ялтинская конференция 1945 года», и выставочным.

В 1993 году Ливадийский дворец получил статус музея. 16 июля 1994 года на втором этаже дворца открылась экспозиция «Романовы в Ливадии», посвящённая пребыванию в Ливадии трёх поколений российских императоров.

Сегодня посетители дворца-музея могут увидеть две экспозиции. На первом этаже представлена выставка о Ялтинской конференции 1945 года и пребывании американской делегации, а на втором этаже, экспозиция о жизни и отдыхе в Ливадии российских царей.

В Белом зале дворца, где проходили заседания Ялтинской конференции, регулярно проводятся саммиты глав государств. С 2004 года в Ливадийском дворце проходили ежегодные встречи Ялтинской Европейской Стратегии, которые с 2014 года проходят в Киеве.

В 2000-х годах активизировались оползни в районе дворцового комплекса, что привело к повреждению опорных стен и разрушению коммуникаций. В комнатах появились трещины, что вызвало резонанс в прессе. После задержек были проведены ремонтные и противооползневые работы.

5 февраля 2015 года на территории дворцово-паркового ансамбля был открыт памятник И. В. Сталину, Ф. Д. Рузвельту и У. Черчиллю, созданный скульптором Зурабом Церетели.

19 мая 2015 года у главного входа в Ливадийский дворец был установлен памятник-бюст императору Николаю II, изготовленный по модели скульптора А. А. Апполонова.

18 ноября 2017 года в присутствии президента России Владимира Путина в парке Ливадийского дворца был открыт памятник императору Александру III.

Ливадийский дворцово-парковый ансамбль включает в себя Большой дворец, Свитский Пажеский корпус, дворец министра двора барона Фредерикса, дворцовую Крестовоздвиженскую церковь, живописный парк с сохранившимися сооружениями, беседками и фонтанами.

В Ливадии находятся кардиологический санаторий «Ливадия» и Ливадийский парк, заложенный почти 160 лет назад. В парке начинается терренкур, Солнечная Царская тропа, протяжённостью около 7 км.

В 1954 году киностудия «Мосфильм» проводила съёмки фильма «Мы с вами где-то встречались» на территории Ливадийского дворца. В 1955 году там снимали сцены для фильма «Отелло», а также «Овода» и «Двенадцатой ночи», где запечатлены Итальянский дворик и Ливадийский парк. В 1967 году там снимали «Анну Каренину».

В 1968 году Одесская киностудия сняла фильм «Один шанс из тысячи», действие которого происходит в 1942 году в Крыму, многие сцены сняты в Ливадийском дворце.

В 1977 году Ливадийский дворец и парк стали местом съёмок музыкальной комедии «Собака на сене» киностудии «Ленфильм». В 1978 году дворец изображал «дворец губернатора» в фильме «Сокровища пылающих скал».

В 1982 году внутренний двор Ливадийского дворца стал местом съёмок фрагмента фильма «Возвращение резидента» Киностудии имени М. Горького.