До появления единственного каменного кремля за Уралом в Тобольске был деревянный. После пожара 1677 года из Сибирского приказа воеводе Петру Шереметеву пришло предписание сделать город каменным.

В конце XVII века артель каменщиков из столицы под руководством Василия Ларионова возвела Софийский собор. Образцом стал Вознесенский собор Московского Кремля. 

Возводить храм помогали местные крестьяне «в не пашенное время». При строительстве использовали:

• известь, бутовый камень и глину из окрестностей Тобольска;

• связное железо и церковную утварь из Москвы.

В октябре 1686 года Софийский собор был освящен. Затем возвели крепостную стену с девятью башнями вокруг Софийского двора. 

Почти 20 лет над строительством Тобольского кремля трудился Семен Ремезов. Возвели Вознесенскую церковь, Приказную палату, Рентерею (Казенную палату), Гостиный двор и крепостные стены. Он сформировал пространственную структуру кремля и вписал архитектуру в природный ландшафт. 

Здесь находился набатный колокол из Углича. Его сослали по приказу Бориса Годунова за то, что он сообщил народу о гибели царевича Димитрия, из-за чего начались волнения и расправа над предполагаемыми убийцами.

На территории кремля появились новые здания:

• 1746 – барочный храм во имя Святых Антония и Феодосия (впоследствии Покровский собор);

• 1775 – архиерейский дом;

• 1782 – Наместнический дворец, затем – 75-метровая Соборная колокольня.

К концу XVIII века кремль утратил оборонительное значение, начали разбирать крепостные стены.

В царствование Николая I возвели Тюремный замок, где в ссылке были Ф. М. Достоевский, Н. Г. Чернышевский и другие.

После революции 1917 года в Тобольске закрыли храмы. В 1990-е годы часть памятников кремля вернули Русской православной церкви, начались богослужения.

В 1961 создали Государственный историко-архитектурный музей-заповедник. Объекты кремля стали его частью. 

Под руководством Федора Дубровина восстановили стены и башни, фасад Гостиного двора, позакомарное покрытие Софийского собора – кровлю по сводам храма), укрепили основание Рентереи.

Сейчас кремль находится в ведении Тобольско-Тюменской епархии и Тобольского историко-архитектурного музея-заповедника. С 2006 года здесь проводят фестиваль «Лето в Тобольском кремле».