พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวทรงสร้างพระราชวังดุสิตโดยแบ่งอาณาเขตของพระราชวังเป็นเขตพระราชฐานชั้นนอก เขตพระราชฐานชั้นกลาง และเขตพระราชฐานชั้นในดังเช่นแบบแผนการสร้างพระราชวังโดยทั่วไป ในเขตพระราชฐานชั้นในนั้นพระองค์ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าให้สร้างพระตำหนักและตำหนักต่าง ๆ ขึ้น โดยแต่ละแห่งขึ้นต้นด้วยคำว่า "สวน" โดยพระตำหนักที่พระองค์โปรดให้สร้างขึ้นเพื่อใช้เป็นที่ประทับของสมเด็จพระนางเจ้าสว่างวัฒนา พระบรมราชเทวีนั้นพระราชทานนามว่า "พระตำหนักสวนหงส์" ซึ่งตั้งอยู่ใกล้กับประตูนกร้อย

ก่อนหน้านั้นสมเด็จพระนางเจ้าสว่างวัฒนา พระบรมราชเทวีได้เสด็จแปรพระราชฐานไปประทับ ณ พระตำหนักศรีราชาเพื่อพักฟื้นจากพระอาการประชวร ระหว่างนั้นพระองค์โปรดเกล้าฯ ให้ตั้งหูกทอผ้าพื้นบ้านขึ้นภายในพระตำหนัก เมื่อพระองค์เสด็จมาประทับ ณ พระตำหนักสวนหงส์จึงได้จัดตั้งกองทอผ้าส่วนพระองค์ขึ้นภายในพระตำหนัก ผ้าจากกองทอนี้โปรดให้นำออกจัดจำหน่ายให้แก่ประชาชน เพื่อนำรายได้มาเลี้ยงข้าราชบริพารเรื่อยมา

พระองค์เสด็จพระทับภายในพระตำหนักสวนหงส์ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2445 จนถึง พ.ศ. 2453 หลังจากพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวเสด็จสวรรคต สมเด็จพระนางเจ้าสว่างวัฒนา พระบรมราชเทวีเสด็จไปประทับกับสมเด็จพระนางเจ้าเสาวภาผ่องศรี พระบรมราชินีนาถที่พระราชวังพญาไทเป็นเวลาหลายเดือน และได้กลับมาประทับที่พระตำหนักสวนหงส์เป็นครั้งคราว ก่อนที่จะเสด็จไปประทับยังวังสระปทุมเป็นการถาวรตลอดพระชนม์ชีพของพระองค์

ต่อมาในปี พ.ศ. 2470 สมเด็จพระศรีสวรินทิราบรมราชเทวี พระพันวัสสามาตุฉาเจ้า ทรงพระกรุณาโปรดให้ พระนางเจ้าสุวัทนา พระวรราชเทวี และ สมเด็จพระเจ้าภาติกาเธอ เจ้าฟ้าเพชรรัตนราชสุดา สิริโสภาพัณณวดี มาประทับ จนถึงเดือนเมษายน ๒๔๗๕ พระนางเจ้าสุวัทนา พระวรราชเทวี และ สมเด็จพระเจ้าภาติกาเธอ เจ้าฟ้าเพชรรัตนราชสุดา สิริโสภาพัณณวดี เสด็จไปประทับที่ พระตำหนักพัชราลัย ในฤดูร้อน แล้วเกิดเหตุการณ์ปฏิวัติสยาม ซึ่งพระตำหนักสวนหงษ์อยู่ใกล้กับพระที่นั่งอนันตสมาคมที่ก่อการ ทำให้ยากต่อการถวายอารักขา เพื่อความปลอดภัยส่วนพระองค์ จึงย้ายไปประทับ ณ พระตำหนักสมเด็จพระปิตุจฉาเจ้าสุขุมาลมารศรี ในสวนสุนันทา และหลังจากนั้นก็ไม่มีเจ้านายเสด็จมาประทับที่พระตำหนักนี้อีกเลยจนปัจจุบัน

เมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงการปกครองในปี พ.ศ. 2475 พื้นที่บางส่วนของพระราชวังดุสิตตกไปอยู่ภายใต้ความดูแลของกองทัพบก รวมทั้ง พระตำหนักสวนหงส์ด้วย จนกระทั่ง พ.ศ. 2532 พลเอกชวลิต ยงใจยุทธ ผู้บัญชาการทหารสูงสุดและผู้บัญชาการทหารบกในขณะนั้น ได้ทำหนังสือกราบบังคมทูลพระบาทสมเด็จพระปรมินทรมหาภูมิพลอดุลยเดชเพื่อน้อมเกล้าฯ ถวายคืนพื้นที่ภายใต้ความดูแลของกองทัพบกให้แก่สำนักพระราชวัง พระตำหนักสวนหงส์จึงได้รับการบูรณะซ่อมแซมให้มีความสมบูรณ์อีกครั้ง

ปัจจุบัน พระตำหนักสวนหงส์ใช้เป็นสถานที่จัดแสดงภาพงานพระราชพิธีโบราณต่าง ๆ เช่น พระราชพิธีสมโภชเดือนขึ้นพระอู่ พระราชพิธีตรียัมปวาย พระราชพิธีพืชมงคลจรดพระนังคัลแรกนาขวัญ พระราชพิธีเสด็จทางสถลมารคและชลมารค รวมทั้ง จัดแสดงพระฉายาลักษณ์เกี่ยวกับสมเด็จพระบรมโอรสาธิราช เจ้าฟ้ามหาวชิราลงกรณ สยามมกุฎราชกุมาร เช่น พระฉายาลักษณ์เมื่อผนวชและพระราชพิธีสถาปนาขึ้นเป็นสมเด็จพระบรมโอรสาธิราช สยามมกุฎราชกุมาร