ครั้น พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว เสด็จพระราชดำเนินกลับจากประพาสทวีปยุโรปในปี พ.ศ. 2440 ได้ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ จัดซื้อที่สวนและนาระหว่างคลองผดุงกรุงเกษมจรดคลองสามเสนด้วยพระราชทรัพย์ส่วนพระองค์ เพื่อจัดสร้างเป็นอุทยานสถานและพระราชทานนามอุทยานสถานแห่งนี้ว่า "สวนดุสิต" โดยโปรดเกล้าฯ ให้รื้อพระที่นั่งมันธาตุรัตนโรจน์ ที่โปรดเกล้าฯ ให้สร้างขึ้นที่เกาะสีชัง เมื่อ พ.ศ. 2435 แต่ยังสร้างไม่เสร็จสมบูรณ์ โดยโปรดเกล้าฯ ให้พระราชโยธาเทพ (กร หงสกุล ต่อมาเป็นพระยาราชสงคราม) เป็นนายงานรื้อพระที่นั่งมันธาตุรัตนโรจน์จากเกาะสีชังมาสร้างในสวนดุสิต และพระราชทานนามว่า "พระที่นั่งวิมานเมฆ"[4] และทรงวางศิลาฤกษ์พระที่นั่งเมื่อวันที่ 31 สิงหาคม พ.ศ. 2443[5] โปรดเกล้าฯ ให้สมเด็จพระเจ้าบรมวงศ์เธอ เจ้าฟ้ากรมพระยานริศรานุวัดติวงศ์ ทรงกำกับการออกแบบ และ ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้มีการเฉลิมพระที่นั่งวิมานเมฆ เมื่อวันที่ 27 มีนาคม พ.ศ. 2445[6]

พระที่นั่งวิมานเมฆสร้างด้วยไม้สักทองทั้งหลัง มีลักษณะทางสถาปัตยกรรมที่งดงามประณีตและได้รับอิทธิพลการก่อสร้างแบบตะวันตก การก่อสร้างแล้วเสร็จในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2444 และได้เสด็จมาประทับที่พระที่นั่งวิมานเมฆ จนกระทั่งพระที่นั่งอัมพรสถาน ซึ่งโปรดเกล้าฯ ให้สร้างขึ้นใน พ.ศ. 2445 สร้างเสร็จเรียบร้อยใน พ.ศ. 2449 พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวจึงได้เสด็จแปรพระราชฐานมาประทับที่พระที่นั่งอัมพรสถานเป็นการถาวร จนกระทั่งเสด็จสวรรคตเมื่อวันที่ 23 ตุลาคม พ.ศ. 2453 และพระที่นั่งวิมานเมฆยังคงเป็นสถานที่ประทับของเจ้านายจนกระทั่งสิ้นรัชกาล เจ้านายฝ่ายในและข้าราชบริพารจึงได้กลับมาประทับที่พระบรมมหาราชวัง

ในรัชสมัยพระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว โปรดเกล้าฯ ให้สมเด็จพระนางเจ้าอินทรศักดิศจี พระวรราชชายาประทับที่พระที่นั่งวิมานเมฆใน พ.ศ. 2468 แต่เมื่อพระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัวเสด็จสวรรคตเมื่อวันที่ 25 พฤศจิกายน พ.ศ. 2468 สมเด็จพระนางเจ้าอินทรศักดิศจี พระวรราชายา ก็ทรงย้ายออกจากพระที่นั่งวิมานเมฆ และจากนั้นมา พระที่นั่งวิมานเมฆก็มิได้เป็นพระราชฐานที่ประทับของเจ้านายอีก

ในรัชกาลที่ 9 พ.ศ. 2525 ซึ่งเป็นปีที่ฉลองกรุงรัตนโกสินทร์ครบ 200 ปี สมเด็จพระนางเจ้าสิริกิติ์ พระบรมราชินีนาถ พระบรมราชชนนีพันปีหลวง ทรงขอพระบรมราชานุญาตซ่อมพระที่นั่งวิมานเมฆ เพื่อจัดเป็นพิพิธภัณฑ์ส่วนพระองค์ในพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว ปัจจุบันพระที่นั่งวิมานอยู่ในความดูแลของสำนักพระราชวัง

ใน พ.ศ. 2562 เนื่องจากพระที่นั่งวิมานเมฆ มีอายุใช้งานเป็นเวลานานเกิดการทรุดตัวของอาคารทำให้ได้รับความเสียหายจึงได้มีงานปรับปรุงโครงสร้างชั้นใต้ดินพระที่นั่งวิมานเมฆ โดยได้รื้อถอนโครงสร้างเดิมเเละจัดโครงสร้างใหม่[7]