Lầu Tàng Thơ được xây dựng vào mùa hè năm 1825, dưới thời Vua Minh Mạng. Lúc bấy giờ Triều đình đã giao cho Thự thống chế Đoàn Đức Luận đứng ra chỉ huy 1.000 binh lính để thi công Lầu Tàng Thơ. Tổng thể kiến trúc Lầu Tàng Thơ được thiết kế rất khoa học nhằm đáp ứng chức năng cất giữ và bảo quản các sổ sách văn bản, giấy tờ quan trọng của Triều đình, đặc biệt để tránh sự lây lan của hỏa hoạn, cũng như để bảo vệ tư liệu gốc của quốc gia, công trình được thiết kế xây dựng trên đảo giữa hồ, gồm 2 tầng đồ sộ, xây bằng gạch và đá, ngoài trát vôi, tường có độ dày 0,4m, mái lợp ngói đất nung. Tầng trên 7 gian 2 chái, trổ nhiều cửa xung quanh, các gian thông thương với nhau bằng 3 lối cửa. Xung quanh xây lan can thông thoáng để không khí lưu chuyển nhằm tránh sự ẩm mốc. Tầng dưới 11 gian, xung quanh đều được xây lan can, 4 bên lầu xây hồ vuông gọi là Hồ Học Hải. Lầu Tàng Thơ với chức năng là lưu trữ các văn kiện về ngoại giao, văn kiện của Lục Bộ, địa bạ…

Sau khi Lầu Tàng Thơ xây dựng xong, Vua Minh Mạng cho dựng bia vào năm 1826, ghi lại mục đích, chức năng và ý nghĩa của việc xây dựng Lầu Tàng Thơ. Trải qua thời gian dài, Lầu Tàng Thơ được sử dụng với nhiều chức năng khác nhau, phần nào kết cấu của công trình cũng bị hư hại nhiều cùng với sự biến mất của tấm bia. Theo đó, công trình đã xuống cấp nghiêm trọng. Năm 2014, Dự án trùng tu, phục hồi Lầu Tàng Thơ được các cấp có thẩm quyền phê duyệt, thực hiện, đến nay đã hoàn thành và chính thức đưa vào sử dụng.

Lầu Tàng Thơ - Hồ Học Hải được công nhận là di tích cấp quốc gia (loại hình kiến trúc nghệ thuật) theo Quyết định số 99/2004/QĐ-BVHTT ngày 15/12/2004 của Bộ Văn hóa và Thông tin./.