Der Vorgängerbau war eine Burg aus dem 13. Jahrhundert, die sich in etwa auf dem Gelände des heutigen Schlossgartens befand. Sie gehörte den Grafen von Orlamünde, wurde 1334 von den Grafen von Schwarzburg erworben und im Thüringischen Grafenkrieg im März 1345 zerstört. Von diesem Bauwerk sind keine sichtbaren Überreste mehr vorhanden. In der zweiten Hälfte des 14. Jahrhunderts wurde ein Nachfolgebau errichtet, der sich etwa zwischen der heutigen Freilichtbühne und der Mitte des Schlossplatzes befand. Vermutlich stammt der heute in den Marstall integrierte Rundturm von diesem Bauwerk. 1573 brannte diese Burg zumindest teilweise aus und ein dreiflügeliges Renaissanceschloss wurde errichtet, das in seinen Ausmaßen und der Lage von Turm und Durchfahrt zur Stadt bereits weitgehend der heutigen Anlage entsprach. 1735 brannte auch dieses Schloss weitgehend aus. 1737 begannen die Bauarbeiten für den Wiederaufbau der neuen barocken Residenz.

Das Thüringer Landesmuseum Heidecksburg stellt dort ein Teil ihrer umfangreichen Waffensammlung aus.