พระที่นั่งอัมพรสถาน เป็นพระที่นั่งที่สร้างขึ้นในปีเดียวกับที่สร้างพระที่นั่งวิมานเมฆเสร็จ พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้สร้างพระที่นั่งขึ้นอีกองค์หนึ่งทางด้านตะวันตกเฉียงเหนือของพระที่นั่งอนันตสมาคม ซึ่งในเวลานั้นเรียกว่า สวนแง่เต๋ง (แปลว่า สีงา) และทรงตั้งนามให้พระที่นั่งองค์ใหม่ว่า พระที่นั่งอัมพรสถาน

พระสถิตย์นิมานการ (ม.ร.ว. ชิด อิศรศักดิ์) เจ้ากรมโยธาธิการ ได้ดำเนินการก่อสร้างอยู่หลายปี ครั้นถึง ร.ศ. 125 (พ.ศ. 2449) ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้พระยาสุขุมนัยวินิต (เจ้าพระยายมราช (ปั้น สุขุม)) มารับราชการในตำแหน่งเสนาบดีกระทรวงโยธาธิการ จึงได้เป็นผู้อำนวยการก่อสร้างพระที่นั่งต่อมาจนเสด็จในปีนั้นและการเฉลิมพระที่นั่งนั้น เป็นงานใหญ่ตั้งแต่วันที่ 18 - 22 กุมภาพันธ์ ร.ศ. 125 (พ.ศ. 2449) แต่ที่จริงโหรทำนายว่าควรจะเอาเป็นวันในปลายเดือนธันวาคม แต่มิโปรดเนื่องจากอากาศนั้นหนาวเย็น

พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว เสด็จสวรรคตที่ชั้น 3 ของพระที่นั่งอัมพรสถาน เมื่อ รัชกาลที่ 6 และ รัชกาลที่ 7 เสด็จมาประทับ ณ พระที่นั่งองค์นี้ ได้ประทับแค่เพียงชั้น 2 เท่านั้น เพราะชั้น 3 ถือว่าเป็นที่ประทับของพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว

ใน พ.ศ. 2493 พระบาทสมเด็จพระภัทรมหาราชเกล้าเจ้าอยู่หัว เสด็จพระราชดำเนินนิวัติพระนคร จากประเทศสวิตเซอร์แลนด์ ทรงประทับ ณ พระที่นั่งอัมพรสถาน ก่อนจะทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้จัดการพระราชพิธีราชาภิเษกสมรส และพระราชพิธีบรมราชาภิเษก

พระที่นั่งอัมพรสถาน เป็นสถานที่พระราชสมภพของ พระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัว สมเด็จพระเทพรัตนราชสุดาฯ สยามบรมราชกุมารี นอกจากนี้ยังเป็นสถานที่ประสูติของสมเด็จพระเจ้าลูกเธอ เจ้าฟ้าจุฬาภรณวลัยลักษณ์ อัครราชกุมารี และพระเจ้าหลานเธอ พระองค์เจ้าพัชรกิติยาภา

ปัจจุบันพระที่นั่งอัมพรสถาน มิได้เป็นสถานที่เป็นที่ประทับของพระบรมวงศานุวงศ์พระองค์ใดแต่เป็นสถานที่เสด็จมาทรงงานของสมเด็จพระบรมโอรสาธิราช เจ้าฟ้ามหาวชิราลงกรณ สยามมกุฎราชกุมาร พระเจ้าวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าศรีรัศมิ์ พระวรชายาและ พระเจ้าหลานเธอ พระองค์เจ้าทีปังกรรัศมีโชติ