Amikor III. Vilmos (1689-1702) és II. Mária (1689-94) került a trónra, az uralkodó londoni rezidenciája a Whitehall Palace-ben volt, de sem a király, sem a királynő nem szeretett ott élni, különösen azért, mert Vilmos krónikus asztmájának nem tett jót a párás folyóparti élet. Vilmos és Mária 1689-ben 20.000 fontért megvásárolta a kensingtoni Nottingham House-t, ezt az 1605-ből származó jakobinus kúriát, Nottingham grófjától.

Ezt követően Vilmos utasítására Sir Christopher Wren 1669 és 1718 között - érintetlenül hagyva az eredeti épületet - négy sarkánál újabb, három emeletes pavilonokkal kibővítette a házat, új bejáratot és udvart (Great Court) alakított ki a nyugati oldalon, és felépített egy keskeny folyosót, a Stone Galleryt, mely a főbejárattól a délnyugati szárnyhoz vezet. Az északi oldalon konyhák létesültek, a nyugati oldalon pedig egy óratornyot emelt, ami még ma is látható. Még a vilmosi időkben több ízben bővítették, illetve átalakították a palotát: a királynő a Queen's Gallery-vel bővíttette a palotát. Majd a déli szárnyat részben elpusztító 1691-es tűz után megépült a márvány királyi lépcsőház (King's Staircase), a testőrök szobája (Guard Chamber), és végül 1695-ben az épület déli frontja került kialakításra. A kialakított King's Galleryben Vilmos festmény-gyűjteménye került kifüggesztésre.

III. Vilmos szobra áll palota előtt II. Mária 1694-ben himlőben meghalt, s néhány év múlva, 1702-ben követte őt a Hampton Court-ban lovasbalesetet szenvedett III. Vilmos is. A trónra lépő Anna már nem annyira hivatalos rezidenciaként, sokkal inkább pihenő-házként használta a Kensington Palace-t. Anna királynő nem annyira magát az épületet alakíttatta, hanem a kertet. Fejlesztésére 26.000 fontot költött. E munkák maradandó emlékműve az 1704-1705 között épült Orangery (Narancsház).

Utódja, I. György 1714-ben lépett a trónra. Első kensingtoni látogatása során ugyan a király úgy nyilatkozott, hogy mind a palotával, mind a kerttel elégedett, rövidesen mégis sor került a palota drasztikus átalakítására. Az építkezést William Benson irányította, aki Sir Christopher Wren-t követte a főépítészi poszton 1718-ban. Az ősi Nottingham House helyébe (mely a palota közepén még mindig állt), három új szoba került kialakításra: a Cupola Room, a Privy Chamber és a Withdrawing Room, melyeket valószínűleg nem Benson, hanem helyettese, Colen Cambell tervezett. A szobák legfőbb ékességei a mennyezeti képek. Mivel a hivatalos királyi festő, Sir James Thornhill 800 fontért vállalta volna a munkát, azt az erre végül a 350 fontért vállalkozó, akkor még alig ismert, de I. György által csodált William Kent kapta meg. 1722 és 1727 között szinte valamennyi helyiséget ő díszített ki, így pl. befejezte a királyi nagy lépcsőházat (King's Grand Staircase) is.

Kensington palota a kert felől Ugyan I. György - a hosszúra nyúlt építkezés miatt - alig tudta már élvezni a palotát, utóda II. György (1727-1760) már egyik hivatalos rezidenciájává tette, és az év csaknem felét itt töltötte. Ekkoriban a palota híres volt a királyi festmény-gyűjteményről, valamint a legutolsó divat szerinti bútorozottságáról, melyre több ezer fontot költöttek. Itt fogadta a király és a királyné 1734 nyarán a cherokee indiánok delegációját is. Amikor azonban II. György felesége, Caroline 1737-ben meghalt, a palota kiürült, csaknem felét a király lezáratta. II. György 1760-ban bekövetkezett halála pedig egy komoly korszak végét jelentette a palota életében: soha többé nem lett az uralkodó hivatalos székhelye.

III. György (1760-1820) már nem lakott a palotában, az a negyedik fia, Edward, kenti herceg lakhelyéül szolgált. A herceg első gyermeke, Viktória is itt született 1819. május 24-én. A hercegnőt a kupola szobában (Cupola Room) keresztelték meg, és édesapja korai halála után itt élt édesanyjával egészen 1837. június 20-ig, amikor nagybátyja, IV. Vilmos (1830-1837) halálának hírét vették. Viktória hercegnő - mint az új királynő - édesanyjával azonnal a Buckingham-palotába költözött. A Kensington-palotát ettől kezdve pedig csupán a használaton kívüli bútorok és festmények raktáraként használták, a századvégre állapota kétségbeejtően leromlott.

Viktória királynő szobra a Kensington kertben 1898-ban Viktória királynő rendeletben rögzítette, hogy amíg él, szülőháza nem rombolható le. A parlament elhatározta a palotának a II. György korabeli állapotnak megfelelő restaurálását azzal a feltétellel, hogy a palotát a nagyközönség előtt megnyitják. A palota 1899. május 24-én, a királynő 80. születésnapján nyitotta meg kapuit a látogatók előtt.

1911-től a kensingtoni királyi lakosztályok (State Appartments) adtak helyet az újonnan alapított London Múzeumnak. A helytörténeti gyűjtemény célja London történeti emlékeinek bemutatása volt a történelem előtti időktől kezdve. A termekben a királyi család számos bútordarabja a helyén maradt, és a királyi gyűjteményből is számos műtárgy - festmények, királyi díszruhák (többek között Viktória, Alexandra és Mária koronázási ruhái) - egészítette ki a kiállított tárgyakat. A múzeumot 1912. március 21-én V. György és Mária királyné is meglátogatta két gyermekükkel, Máriával és Györggyel. A múzeum 1914-ben a Lancaster House-ba költözött, a kensingtoni State Apartments bezárásra került.

Az első világháború alatt karitatív szervezetek székhelyéül szolgált, a második világháború alatt pedig súlyos bombatámadás érte, mely a királynői lakosztályokat (Queen's Apartments) lerombolta. 1949 és 1976 között ismét a London Múzeum otthonaként funkcionált.

Napjainkban a királyi család egyes tagjainak rezidenciája. Az elmúlt évtizedek legismertebb lakója Diana walesi hercegnő volt, aki az észak-nyugati szárny lakosztályait használta 1981 és 1997 között. A hercegnőt innen szállították utolsó útján a Westminster Apátságba.