Edirne'deyken Kaptan-ı Derya Kayserili Halil Paşa Tersane Bahçesi'nde matetemmuat Kasr-ı Âli (padişaha layık bir saray) yapılmasını emretmiş ve 1613 yılında sarayın ilk binaları tamamlanmıştır.

Tarihsel kaynaklardan, yörenin Bizans döneminde de imparatorlara ait bir dinlenme yeri olduğu anlaşılmaktadır. Fatih Sultan Mehmed'in (1444-1481) İstanbul'u fethinden sonra, Osmanlı sultanlarının da ilgisini çeken bu büyük koruluk, bölgede kurulan Osmanlı Tersanesi'nden dolayı "Tersane Hasbahçesi" adıyla anılmaya başlamıştır.

19 yy başlarında mekân has bahçe olarak da anılmıştır. Yapı II. Mahmut tarafından Kirkor Balyan'a restore edilmiş; günümüzdeki şeklini ise, III. Selim zamanında almıştır.

Hasbahçe'deki ilk yapılaşmanın tarihi Fatih Sultan Mehmed dönemine dek inmekte, burada inşa edildiği kesin olarak bilinen ilk kasır ise Sultan I. Ahmed (1603-1617) dönemine tarihlenmektedir. Tarihsel süreç içinde padişahların yaptırdığı kasırlarla gelişen ve "Tersane Sarayı" olarak anılan bu yapılar topluluğu; 17. yüzyıldan başlayarak "Aynalıkavak Sarayı" olarak da adlandırılmıştır.

Saray bütünü içinde yer alan ve Sultan III. Ahmed (1703-1730) döneminde yaptırıldığı sanılan Aynalıkavak Kasrı, Sultan III. Selim (1789-1807) döneminde büyük bir onarım görerek yeniden düzenlenmiş ve bugünkü görünümünü kazanmıştır. Ağırlıklı olarak 19. yüzyıl saray, köşk ve kasırlarından oluşan Milli Saraylar yapıları arasında daha erken dönemlerden günümüze gelmiş tek yapı olan Aynalıkavak Kasrı geleneksel mimarîsi ve dekorasyon özellikleriyle son derece ayrıcalıklıdır.

Dîvânhâne ve Beste Odası'nda pencere üstlerinden dolaşan bir frizde dönemin tanınmış şairleri Şeyh Gâlib ve Enderûnî Fâzıl'ın, kasrı ve III. Selim'i öven şiirleri Hattat Mehmed Esad El Yesârî tarafından ta'lîk hat ile yazılmıştır. Deniz cephesinde iki, kara cephesinde tek katlı kütlesiyle Osmanlı klasik mimarlığının son ve ilginç yapılarından biri olan Kasır; süsleme açısından da çağının beğenisini yansıtmakta, özellikle besteci Sultan III. Selim dönemi kültürünün pek çok öğesini bünyesinde barındırmaktadır.

Bu dönemin özelliği olan revzenli tepe pencereleri, geniş saçaklı çatıları, iç dekorasyonda bulunan yerleşik sedir düzenlemeleri, geleneksel ısıtma biçimini oluşturan mangalları artık yok olmuş bir geçmiş yaşam biçiminin görünümlerini sergilemektedir.

Aynalıkavak Kasrı, Lale Devrinde birçok eğlenceye ve I. Abdülhamit tarafından 9 Ocak 1784 tarihinde Osmanlı Devleti ile Rusya arasında imzalanan Aynalıkavak Antlaşmasına ev sahipliği de yapmıştır.

Restorasyonu ve tefriş çalışmaları tamamlanarak 5 Kasım 2010 tarihinde ziyarete açılan Aynalıkavak Kasrı'nın alt katı, Sultan III. Selim'in sanatkâr ve mûsikîşinâs kişiliğine uygun olarak tarihî Türk çalgılarının sergilendiği bir müze haline getirilmiştir.