Nacionalinės dailės galerijos pagrindinis pastatas suprojektuotas 1968 m., pastatytas 1980 m. Jo autoriai - architektai Gediminas Baravykas ir Vytautas Vielius. Čia 1980-1991 m. veikė LTSR revoliucijos muziejus.

1991 m. Lietuvos Kultūros ir švietimo ministerija pastatą su jam priklausančia teritorija perdavė Lietuvos dailės muziejui.

1993 m. šiame pastate atidarytas LDM padalinys - Nacionalinė dailės galerija. Jame veikė nuolatinės lietuvių liaudies meno ir skulptoriaus Vytauto Kašubos (1915-1997) dovanotų kūrinių ekspozicijos, buvo rengiamos parodos.

1999 m. dėl blogos techninės būklės pastatas buvo uždarytas.  2002 m. Lietuvos Respublikos Vyriausybė patvirtino LDM parengtą NDG koncepciją.  

2003 m. Lietuvos Respublikos Vyriausybė patvirtino "Lietuvos tūkstantmečio programą", į kurią įtraukė NDG rekonstrukciją su išplėtimu. 2003 m. LDM ir Lietuvos architektų sąjunga surengė NDG rekonstrukcijos su išplėtimu architektūrinės idėjos konkursą. Konkursui buvo pateikti 8 Lietuvos architektų projektai. Galerijos rekonstrukcijos ir išplėtimo įgyvendinimui pasirinktas I vietą konkurse laimėjęs architektų Audriaus Bučo, Dariaus Čaplinsko ir Gintaro Kuginio projektas.  

2005 m. įvyko NDG rekonstrukcijos su išplėtimu generalinio rangovo konkursas. Generaliniu rangovu išrinkta UAB "Vėtrūna".  

2005 m. NDG buvo suteikta Japonijos kultūros rėmimo programos parama - 30,1 mln. Japonijos jenų (apie 760 tūkst. Lt) vertės įranga galerijos konferencijų ir kultūros renginių salei.

2009 m. NDG atvėrė duris lankytojams. Joje vyko vienas didžiausių "Vilniaus Europos kultūros sostinės 2009" projektų - tarptautinė paroda "Spalvų ir garsų dialogai.  M. K. Čiurlionio ir amžininkų kūryba".