ทางด้านทิศตะวันตกของเมืองนครปฐมห่างไป 1 กิโลเมตร มีบริเวณที่เรียกกันมาว่า "เนินปราสาท" ใกล้ ๆ กับเนินแห่งนี้ มีสระน้ำขนาดใหญ่เรียกว่า "สระน้ำจันทร์" เป็นที่ที่พระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว รัชกาลที่ 6 โปรดเกล้าฯ ให้สร้างพระราชวังเพื่อแปรพระราชฐานในการเสด็จมาสักการะพระปฐมเจดีย์ และพระราชทานนามว่า พระราชวังสนามจันทร์ การก่อสร้างพระที่นั่งและพระตำหนักต่าง ๆ ในพระราชวังสนามจันทร์นั้น ได้ดำเนินติดต่อกันมาถึง 4 ปี จึงเสร็จสมบูรณ์ในปี พ.ศ. 2454

พระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้สร้างเรือนไทยพระตำหนักทับขวัญขึ้น โดยโปรดเกล้าฯ ให้จัดการพระราชพิธีขึ้นพระตำหนักใหม่ เมื่อวันที่ 25 มกราคม พ.ศ. 2454 การสร้างพระตำหนักทับขวัญในรูปแบบของเรือนไทยเพื่อรักษาศิลปะบ้านไทยแบบโบราณ พระองค์ได้ประทับแรม ณ พระตำหนักองค์นี้เป็นเวลา 1 คืน และเมื่อมีการซ้อมรับเสือป่า พระตำหนักองค์นี้ใช้เป็นที่ตั้งกองบัญชาการเสือป่าราบหนักรักษาพระองค์ โดยพระตำหนักทับขวัญสร้างขึ้นคู่กับ "พระตำหนักทับแก้ว" ซึ่งเป็นตึกฝรั่งอยู่ทางด้านตะวันออกคนละฟากถนนกับพระตำหนักทับแก้ว

ในสมัยรัชกาลที่ 7 กระทรวงมหาดไทยขอให้พระตำหนักทับขวัญเป็นที่พักเกษตรมณฑล พ.ศ. 2479 เพื่อจัดการบูรณะ ทางจังหวัดนครปฐมขอพระตำหนักทับขวัญเป็นสิทธิ์ ตามเรื่องราวปรากฏว่า "เคยเป็นตำหนักที่ประทับของพระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว รัชกาลที่ 6 กระทรวงวังมีความรังเกียจที่จะให้ผู้อื่นอยู่ร่วมอาศัย ได้เคยดำริจะรื้อนำมากรุงเทพฯ ครั้งหนึ่ง เมื่อ พ.ศ. 2476 แต่ยังมิได้จัดการอย่างไรต่อจากนี้ เลขานุการคณะกรรมการพระราชวัง ได้มีหนังสือถึงราชเลขานุการในพระองค์ ความว่า ยังไม่เห็นควรรื้อ เพราะเห็นว่าเรือนนี้ยังคงทนถาวรอยู่"

ปี พ.ศ. 2509 พระตำหนักทับขวัญตกเป็นกรรมสิทธิ์ ของมหาวิทยาลัยศิลปากร สภาพพระตำหนักในตอนนั้นทรุดโทรมมาก หลังคาชำรุดและรั่ว พื้นพัง โดยเฉพาะพื้นชานไม่สามารถใช้ได้ ในปี พ.ศ. 2511 มหาวิทยาลัยศิลปากรมีความคิดที่จะใช้พระตำหนักทับขวัญเป็นพิพิธภัณฑ์ทางภาษาและวัฒนธรรมไทย และคิดจะบูรณะแต่ขาดเงินซึ่งภายหลังกรมศิลปากรร่วมกับมหาวิทยาลัยศิลปากร ได้ของบประมาณ และขอรับบริจาคจากหน่วยงานต่าง ๆ จนสามารถดำเนินการบูรณะจนเสร็จสมบูรณ์ โดยวิธีรื้อของเก่าออกทั้งหลังแล้วประกอบใหม่ให้เหมือนเดิมโดยเปลี่ยนวัสดุมุงหลังคาแทนจาก

คณะกรรมการส่งเสริมกิจการละครพูดกับนักศึกษามหาวิทยาลัยศิลปากรได้ร่วมกันจัดการแสดงละครพระราชนิพนธ์ รัชกาลที่ 6 ปี พ.ศ. 2519 เพื่อเก็บเงินตั้งเป็นกองทุนบูรณะพระตำหนักทับขวัญ โดยมีการแสดงเรื่อง "ตบตา" และเรื่อง "ทานชีวิต" ณ โรงละครแห่งชาติ

ในปี พ.ศ. 2524 อันเป็นปีฉลองวันพระบรมราชสมภพครบ 100 ปี ของพระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว กรมศิลปากร ได้เสนอของบประมาณเพื่อบูรณะพระตำหนักทับขวัญเป็นเงินหนึ่งล้านบาท ฝ่ายมหาวิทยาลัยศิลปากรได้ตั้ง "คณะกรรมการร่างโครงการบูรณะเรือนทับขวัญ" และได้ประกาศทางหนังสือพิมพ์ขอให้ช่วยกันบริจาคเงินเพื่อการนี้

ซึ่งทางมหาวิทยาลัยศิลปากรชี้แจงว่าจะใช้พระตำหนักทับขวัญเป็นศูนย์วัฒนธรรมภาคกลางและภาคตะวันตก ซึ่งธนาคารกรุงเทพ จำกัด (มหาชน) บริจาคเงินสมทบทุนไว้อีกหนึ่งหมื่นบาท ในปีเดียวกันนี้ชุมนุมนิสิตเก่าจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย จังหวัดนครปฐม ได้จัดการแสดงโขนกลางแปลง เรื่อง "มารชื่อพิเภก" ได้เงินหนึ่งแสนบาท และสมาคมชาวนครปฐม จัดงาน "ห้าธันวามหาราช" ได้เงินสมทบทุนอีกหนึ่งแสนบาท และต่อมาบริษัทเอสโซ่ แสตนดาร์ด ประเทศไทย จำกัด ได้บริจาคเงินสองล้านบาทร่วมบูรณะพระตำหนักทับขวัญ เนื่องในโอกาสพระราชพิธีสมโภชกรุงรัตนโกสินทร์ 200 ปี ในปี พ.ศ. 2525 ในขณะเดียวกันกรมศิลปากร ได้งบประมาณแผ่นดินเพื่อบูรณะพระตำหนักทับขวัญหนึ่งล้านบาท

ดังนั้นในปี พ.ศ. 2525 นี้เอง ทางมหาวิทยาลัยศิลปากรได้ทำการบูรณะขึ้นใหม่ทั้งหลัง โดยให้อยู่ในรูปแบบลักษณะเดิมทุกประการ แต่เปลี่ยนแปลงทางด้านระบบโครงสร้างและวัสดุ ทางด้านโครงสร้าง เสาช่วงล่างเปลี่ยนเป็นคอนกรีตเสริมเหล็ก และเพิ่มคานด้านความยาวเพื่อรองรับราที่เพิ่มให้ถี่ขึ้น ในการรองรับพื้นเรือนให้สามารถรองรับน้ำหนักจากผู้คนที่เข้ามาเยี่ยมชมพระตำหนักซึ่งจำนวนจะมากกว่าปกติ ส่วนวัสดุจะเปลี่ยนวัสดุมุงหลังคาจากตับเปลี่ยนเป็นกระเบื้องดินเผาหลบหลังคาที่สันหลังคา และหลบหลังคาปั้นลมเปลี่ยนมาเป็นทำด้วยปูน และปูอิฐที่ใต้ถุน เพื่อให้ได้ประโยชน์การใช้สอยเพิ่มขึ้น พระตำหนักทับขวัญที่สร้างใหม่เสร็จวันที่ 1 มีนาคม พ.ศ. 2526 โดยในวันที่ 30 มีนาคม พ.ศ. 2526 สมเด็จพระเทพรัตนราชสุดาฯ สยามบรมราชกุมารี ได้เสด็จมาทรงเป็นประธานในพิธี

ปัจจุบัน ภายในพระตำหนักใช้จัดแสดงพระราชประวัติและพระราชกรณียกิจด้านไทยศึกษาของพระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว เช่น เรื่องเกี่ยวกับภาษา วรรณคดี โบราณคดี การทำนุบำรุงพระพุทธศาสนา กิจการเสือป่า และลูกเสือไทย เป็นต้น