朝天宫的历史可以上溯到2500年前，春秋时期在今朝天宫后山已经出现了南京最早的城邑之一--冶城。相传吴王夫差曾在此设冶铸剑，建立了具有相当规模的冶铸作坊，并聚集了一定的固定人口，从而形成了原始城邑。后人遂称此山为冶山。
三国东吴时期，孙权在这里设置冶官，将冶山作为东吴制造铜铁器的重要场所。除制造兵器和用具外，据说也铸造铜钱。
东晋初年，司徒、丞相王导将冶山改建为自己的私人别墅，明为西园。当时的西园果木成林，又有鸟兽麋鹿，风景十分优美。王导常于此召集文人雅集。据《六朝事迹编类》记载，当时冶山仍有冶坊开工，其时王导曾患重病，疾久不愈，方士戴洋进言：君本命在申，而申地有冶，金火相铄（古代以地支配五行，申属金），于君不利。因此，王导下令把冶坊迁至清凉山、石头城一带，他所患疾病居然不治而愈了。由于王导采取了保护环境的措施，使得冶山地区从此成为名副其实的风景胜地。 冶山西有卞公墓、卞公祠。卞壸为东晋名臣，晋成帝咸和三年（328）历阳（今安徽和县）镇将苏俊起兵攻打建康，卞壸率部抗击大败，父子二人同时遇难。 苏俊之乱平定后，朝廷将卞壸葬于冶山西侧。卞壸父子忠心报国，事迹感人，历朝历代对卞壸墓均曾加修葺，因卞壸祠之兴建早于朝天宫，故民间有先有卞公祠，后有朝天宫之说。
南朝刘宋明帝泰始六年（470）在冶山建立了总明观 ，这是古代南方最早的社会科学研究机构。分设文、史、儒、道、阴阳五门学科，诏请有名望的学者二十人担任教职，成为一时文苑盛事。后来，文、史、儒、阴阳四门学科逐渐失传，而道家学派又渐与道教合流，在冶山上修建道观。从此冶山开始成为道教胜地，香火连绵不绝，流传千载。
盛唐时期，治山建有太极宫，李白、刘禹锡等大诗人曾先后至此登临。
宋代名为天庆观，苏轼、王安石、陆游等人也都曾游历此处。南宋末年民族英雄文天祥，抗元战败被俘，在押往大都（北京）的途中，曾夜宿于此，留下了慷慨激昂的诗句。
元代名为玄妙观，后改为大元兴永寿宫。明洪武十七年（1385）太祖朱元璋下诏改建，并赐名为朝天宫。明代的朝天宫既是皇室贵族焚香祈福的道场，同时也是春节、冬至、皇帝生日这三大节前文武百官演习朝拜天子礼仪的场所。
明代的朝天宫是当时南京最大、最著名的道观，占地面积300多亩，有各种殿堂房庑数百间，立体建筑有神君殿、三清正殿、大通明宝殿、万岁正殿等。大山门为东向，据载，大山门内有左右碑亭各一。其南碑为奉敕重建朝天宫碑，保存完整，现存朝天宫大成殿丹墀前，其北碑碑身已毁，仅存碑座赑屃。 明末，朝天宫部分建筑毁于战火。
清代康熙、乾隆时期，随着江南社会经济的恢复和发展，朝天宫也逐渐得到重修，规模甚大，宫观犹盛，连房栉比。康熙南巡时，曾为朝天宫题写匾额，曰：欣然有得。乾隆留下江南，曾先后五次登临游览朝提高，每次都题诗寄兴。如今刻有五首乾隆亲笔题诗的石碑，仍完整的立在朝天宫后山的御碑亭内，供游人观赏。 道光年间因朝天宫屡遭火灾，从风水家言，把朝天宫大山门由朝正东，改为偏向东南。咸丰年间，太平天国定都年间，把朝天宫改为制造和储存火药的红粉衙。同治五年（1866）两江总督曾国藩，为了标榜儒家思想，粉饰太平，将后来的道观改为孔庙，并把原在成贤街的江宁府学迁至朝天宫。于是就形成了中为文庙，东为府学，西为卞公祠的格局。文庙面临云渎，正南端有照壁，东西与宫墙连成一体，照壁正面嵌有万仞宫墙四个砖刻大字，万仞宫墙语出《论语·子长篇》，颂扬孔子文章道德之高。宫墙内为泮池，是文庙的标志性建筑，宫墙东西两侧为砖雕牌坊，上刻德配天地，道观古今门额，系曾国藩所书。
、广场北侧是棂星门，进门数十步，北为大成门，因门内陈放檠戟仪仗，有称戟门。戟门分左、中、右三门，中门为皇帝祭孔时出入的地方，亲王、郡王可走左、右两门，而一般官员只能走戟门两侧的金声，玉振两小门。大成、金声、玉振之名均出自《孟子·万章句下》：孔子之谓集大成，集大成也者，金声而玉振。过大成门向北，东西各有配殿，东殿旁有银杏一株，枝繁叶茂，主干需两人合抱，据载此树为清初所植（《云渎道桥小志》），至今已逾200春秋。经过方形广场，北端为大成殿，大成殿是朝天宫的主体建筑，重檐歇山顶，五进七间，白石为台，纯黄琉璃覆顶，金碧辉煌，美轮美奂，曾供奉孔子大成至圣先师文宣王牌位。 大成殿后为崇圣殿，又名先贤祠。曾供奉孔门弟子及南京乡贤牌位。用庑殿顶，覆黄绿琉璃。崇圣殿后是冶山最高处，建有敬一亭 ，这是文庙标志性建筑。亭东有飞云阁、飞霞阁，这组建筑明代已有其名，现存建筑在清代属江宁府学。飞云阁前即御碑亭，乾隆五次题诗的御碑就保存在这里。朝天宫为典型的明清殿宇式建筑。其建筑格局、样式、营造技术等，是研究中国古代建筑尤其是明清建筑的重要而难得的实物资料，具有极高的历史、艺术和科学价值。朝天宫一直是南京的重要名胜。明清之际，南京有金陵四十八景，其中冶城西峙就是指朝天宫。文人雅士书写朝天宫的诗文，延绵不断。
建国以来，朝天宫这座历经沧桑的古建筑群重新焕发了青春。1957年被列为江苏省重点文物保护单位。南京市博物馆所在地，精美绝伦的古代文物展示，雄伟壮观的古代建筑，两者交相辉映，成为古都南京的一颗明珠。
