Im Jahre 1606 ließ Fürsterzbischof Wolf Dietrich von Raitenau außerhalb der Stadtmauern für die Salzburger Bürgertochter Salome Alt ein Schloss errichten, das er "Altenau" nannte. Salome Alt war die Tochter des hochangesehenen Kaufsmanns und Ratsherrn Wilhelm Alt und die große Liebe des Fürsterzbischofs. Sie gebar ihm 15 Kinder, von denen 10 am Leben blieben. In der Politik hat Salome Alt keine Rolle gespielt.
Nach dem Tode Wolf Dietrichs - er wurde 1612 zu Abdankung gezwungen und bis zu seinem Tod auf der Festung gefangengehalten - wurde Schloss Altenau von seinem Nachfolger Markus Sittikus von Hohenems (1612 - 1619) in "Mirabell" umbenannt. Fürsterzbischof Paris Graf von Lodron (1619 - 1653) bezog durch seine Befestigunganlagen Schloss und Garten in das Stadtgebiet ein. Er hielt sich gerne im Schloss Mirabell auf, wo er auch am 15. Dezember 1653 verstarb.
Fürsterzbischof Franz Anton Fürst von Harrach ließ das Schloss von 1721 bis 1727 von dem bekannten Barockbaumeister Lukas von Hildebrandt großzügig umbauen und zu einer geschlossenen Anlage zusammenfassen. Der große Stadtbrand am 30. April 1818 beschädigte das Schloss schwer; unter anderem fielen auch die Fresken von Johann Michael Rottmayr und Gaetano Fanti den Flammen zum Opfer. Die große Marmortreppe, die ins Schloss führt, und der Marmorsaal blieben glücklicherweise unversehrt.
Peter de Nobile, Hofbaurat und Direktor der Architekturschule in Wien, verlieh dem Schloss seine heutige, eher nüchterne Gestalt. Details wie Fensterumrahmungen, Kapitelle und Stuckwerk erinnern an den Glanz vergangener Zeiten. Das Treppenhaus des Meisters Lukas von Hildebrandt zählt zu den größten Kostbarkeiten von Schloss Mirabell. Anmutige Putten zieren die vielgestaltige Marmor-Balustrade, die Skulpturen in den Nischen sind Meisterwerke des berühmten Georg Raphael Donner (1726) und gehören zu den schönsten Schöpfungen des europäischen Barock.
Der Marmorsaal, ehemaliger Festsaal des Fürsterzbischofs, in dem schon Vater Leopold Mozart und seine Kinder Wolfgang und Nannerl musiziert haben, gilt heute als einer der "schönsten Trauungssäle der Welt". Darüber hinaus dient der Marmorsaal als repräsentativer Rahmen für Tagungen, Ehrungen und stimmungsvolle Konzerte (Salzburger Schlosskonzerte).
Berühmte Persönlichkeiten hielten sich in Schloss Mirabell auf: Drei Jahre vor dem großen Brand am 1. Juli 1815, als Salzburg für kurze Zeit zu Bayern gehörte, wurde im Schloss Mirabell Prinz Otto von Bayern, späterer König von Griechenland, geboren.
Im Jahr darauf wurde Salzburg wieder "österreichisch" und Schloss Mirabell kam als Sommerresidenz in kaiserlichen Besitz.
12 Jahre lang, von 1851 bis 1863 bewohnte Erzbischof Kardinal Maximilian Josef von Tarnóczy das Schloss. Der legendäre Kapuzinerpater Joachim Haspinger, treuer Gefährte und Kampfgenosse des Tiroler Freiheitskämpfers Andreas Hofer, wohnte vom 4.9. 1854 bis 12.1.1858 als Gast seines Kaisers im Schloss Mirabell und ist auch dort gestorben; eine im Schlosshof angebrachte Gedenktafel erinnert an ihn. Heute befinden sich im Schloss die Amtsräume des Salzburger Bürgermeisters und der Stadtverwaltung.