ปราสาทนครหลวง เริ่มสร้างขึ้นในสมัยสมเด็จพระเจ้าปราสาททอง โดยทรงโปรดให้ช่างไปถ่ายแบบมาจากปราสาทเมืองพระนครหลวง ประเทศกัมพูชา เพื่อเป็นที่พักร้อนก่อนที่จะเสด็จไปนมัสการรอยพระพุทธบาทจังหวัดสระบุรี ปราสาทนครหลวงสร้างไม่แล้วเสร็จในสมัยนั้น ต่อมาราวปี พ.ศ. 2352 ตาปะขาวปิ่น ได้สร้างวัดนครหลวงขึ้นโดยเอาปราสาทนครหลวง เข้าไปไว้ในเขตของวัดด้วย และมีการสร้างพระพุทธบาทสี่รอย ประดิษฐานไว้บนลานชั้นบนของปราสาท จากการดำเนินงานทางโบราณคดี ได้พบว่าวัตถุประสงค์แรกเริ่มของการสร้างปราสาท เป็นการสร้างเพื่อให้เป็นศาสนสถานในพระพุทธศาสนา มิใช่ที่ประทับระหว่างทางในการเสด็จไปนมัสการพระพุทธบาทดังที่เข้าใจกันมาแต่เดิม

ปราสาทนครหลวง ได้รับการขึ้นทะเบียนเป็นโบราณสถาน ตามประกาศกรมศิลปากร เรื่อง กำหนดจำนวนโบราณสถานสำหรับชาติ[2] ในชื่อ พระนครหลวง