La Galería Nacional se abrió al público el 10 de mayo de 1824, tomando como sede la antigua casa de Angerstein en el número 100 de la calle Pall Mall.

La Galería Nacional en Pall Mall estaba frecuentemente abarrotada de público, las salas eran calurosas y su diminuto tamaño en comparación con el Louvre de París era una causa de vergüenza nacional. Pero Agar Ellis, ahora un patrono de la galería, valoraba el recinto por estar «en la misma arteria de Londres», en un lugar muy céntrico; esto era visto como necesario para la Galería para cumplir su propósito social.^[1]​ Un derrumbamiento en el edificio causó que la Galería se mudara brevemente al número 105 de Pall Mall, un lugar que el novelista Anthony Trollope describe como «lúgubre, sin brillo, angosto, mal adaptado para la exhibición de los tesoros que poseía».^[1]​ Posteriormente este bloque fue demolido para abrir un camino a la Terraza Carlton House.^[2]​

En 1832 empezó la construcción del actual edificio (diseñado por William Wilkins) en el sitio de las antiguas Caballerizas Reales en Charing Cross, en un área que había sido transformada en la década de 1820 en Trafalgar Square. La ubicación era estratégica, entre la zona adinerada de West End y las parcelas más pobres al este.^[3]​ En la década de 1850 se debatió la oportunidad de mudar el museo a South Kensington, pero tal propuesta no prosperó. En Trafalgar Square la colección podía ser visitada por personas de todas las clases sociales en un lugar muy transitado, lo que restó importancia a otras cuestiones, como la contaminación del centro de Londres o los defectos del edificio de Wilkins. De acuerdo con la Comisión Parlamentaria de 1857, «La existencia (o acumulación) de los cuadros no es el propósito final de la colección, sino solo el medio para dar a las personas un disfrute ennoblecedor».^[4]​

De 1837 hasta 1868 la Academia Real estaba albergada en el ala este del edificio.

La primera sugerencia de la Galería Nacional en Trafalgar Square vino de John Nash, quien proyectó esto en el sitio de King's Mews, mientras un edificio parecido al Parthenon para la Real Academia ocupaba el centro de la plaza.^[5]​ La recesión económica previno que esta idea se construyera, pero una competencia por el sitio de Mews tenía lugar en 1831, donde Nash publicó un diseño con Charles Robert Cockerell como su coarquitecto. La popularidad de Nash era grande en esa época, sin embargo, la comisión fue dada a William Wilkins, quien se involucró en la selección del sitio y subió algunos dibujos en el último momento.^[6]​ Wilkins esperaba construir un «Templo de las Artes, nutriendo el arte contemporáneo a través de un histórico ejemplo»,^[7]​ pero la comisión fue opacada por el parsimonio y compromiso resultando una construcción destinada al fracaso en todas sus áreas.

El sitio solo permitía por una construcción que fuera una profunda sala, y un taller y un cuartel fueron puestos detrás.^{[nota 1]}​ Para exacerbar los asuntos, existía un derecho público a través del sitio de estos edificios, lo cual permitía acceso por pórticos en el lado este y oeste de la fachada, esto tuvo que incorporar columnas de la demolida Casa Carlton y el resultado corto en la elevación que fue excesivamente baja, y un lejano intento del punto focal que se deseaba al final del lado norte. También reciclados eran las esculturas de la fachada, originalmente para el arco de mármol de Nasch, pero abandonado debido a sus problemas financieros.^{[nota 2]}​ La mitad del este del edificio albergaba la Academia Real hasta 1868, la cual disminuyó el espacio otorgado a la Galería.

El edificio era objeto del ridículo público antes de que estuviera completo, así como una versión del diseño que había sido publicado por la Gaceta Literaria en 1833.^[8]​ Dos años antes de ser completado, su infama elevación en olla apareció en la pieza frontal de Contrasts (1836), un tratado influyente por A. W. N. Pugin, como un ejemplo de la degeneración del estilo clásico.^[9]​ Hasta William IV (en su última expresión grabada) pensó que el edificio era un «hoyo horrible»,^[10]​ mientras William Makepeace Thackeray lo llamaba «una pequeña tienda de ginebra de un edificio».^[10]​ El historiador arquitectónico del siglo XX, Sir John Summerson, hizo hincapié en estas críticas tempranas cuando comparó el arreglo de la cúpula y dos diminutivas torretas en la línea de techo a «el reloj y vasos de un mantel, solo menos útiles».^[6]​ El paisajismo de Trafalgar Square de 1840 de Sir Charles Barry, incluía una terraza al norte para que el edificio pareciera levantarse, respondiendo a uno de los puntos de queja.^[2]​

Opiniones en el edificio han cambiado considerablemente por 1984, cuando el Príncipe de Wales llamando la fachada de Wilkins una «amada y elegante amiga», en contraste a la expuesta extensión (véase más abajo).

La primera alteración significante hecha al edificio fue una gran galería agregada por Sir James Pennethorne en 1860–1. Decorada ornamentalmente en comparación con las salas de Wilkins, no obstante, rompió las condiciones de hacinamiento dentro del edificio, ya que fue construida sobre el pasillo de la entrada original.^[11]​ No sorprendentemente, muchos intentos fueron hecho para remodelar completamente la Galería Nacional (como sugerida por Sir Charles Barry en 1853) o para moverla a espacios más capacidad en Kensington, donde el aire era también más limpio. En 1867 el hijo de Barry Edward Middleton Barry propuso reemplazar el edificio de Wilkins con un edificio masivo clásico con cuatro cúpulas. El tema era un fracaso y críticas contemporáneas denunciaban el exterior «como un descarado plagio de la Catedral de San Pablo».^[12]​

Con la demolición del taller, sin embargo, Barry fue capaz de construir la primera secuencia de la Galería de grandes espacios arquitectónicos de 1872 a 1876. Construida como un policromo neo renacentista, las salas de Barry estaban ordenadas en un plano de cruz griega rodeando un octágono central. Aunque compensaba la arquitectura del edificio de Wilkin, la nueva ala de Barry no era del agrado de los trabajadores de la Galería, quienes consideraban que su monumental aspecto estaba en conflicto con la función del espacio de exhibición. También, el programa decorativo de las salas no tomaba los contenidos de la galería; por ejemplo, el techo de la galería italiana del siglo XV y XVI, estaba inscrito con los nombres de artistas británicos del siglo XIX.^[13]​ Aunque tenía esas fallas, las salas de Barry proveían una Galería con una fuerte planta baja. Esto fue tomado para las adiciones subsecuentes a la galería, resultando en la creación de un edificio con clara simetría.

La galería de Pennethorne fue demolida para la siguiente fase del edificio, un tema de Sir John Taylor extendió las salas norte de la entrada principal. El vestíbulo con cúpula de vidrio tenía pintadas decoraciones en el techo por la firma de la familia Crace quienes habían trabajado en las salas de Barry. Un fresco destinado a una pared sur nunca fue realizada y el espacio es ahora tomado por la pintura de Frederic, Lord Leighton: Cimabue's Celebrated Madonna carried in Procession through the Streets of Florence (1853–55), prestada por la Real Colección en la década de 1990.^[14]​

Adiciones posteriores al oeste llegaron más rectas, pero mantenían coherencia con el edificio, poniendo con simetría el plano de Barry al este. El uso de mármol negro para los marcos de las puertas, continuaron, dando a las extensiones un grado de consistencia con las salas antiguas. El estilo clásico fue usado en la galería Nacional en 1929, cuando el estilo Beaux-Arts era construido, fundado por el comerciante de arte y encargado Lord Duveen. Sin embargo, no había sido antes de la llegada del siglo XX que empezaron reacciones hacia la actitud de Victoria, manifestándose en la Galería. Desde 1928 a 1952, el piso de la entrada estaban pegados con una nueva serie de mosaicos por Boris Anrep, quien era amigo del grupo Bloomsbury. Estos mosaicos pueden leerse como una sátira del siglo XIX por la decoración de los edificios públicos, como dicho por el memorial de Alberti Frieze of Parnassus.^[15]​ El mosaico central muestra El despertar de Los Museos incluyendo retratos de Virginia Woolf y Greta Garbo, subvirtiendo el tono de la alta moral por los victorianos antepasados, en lugar de las siete virtudes del cristianismo, Anrep ofreció su propio set de virtudes modernas, incluyendo Humor y Mente abierta; las figuras alegóricas son retratos de contemporáneos, incluidos Winston Churchill, Bertrand Russell y T. S. Eliot.^[16]​

En el siglo XX los interiores de la Galería victoriana cayeron fuera de la moda.^[17]​ Las decoraciones del techo en el pasillo de la entrada no eran del gusto del director Charles Holmes, y fue obliterado por pintura blanca.^[18]​ Las galerías del Norte, que abrieron al público en 1975, marcaron la llegada de la arquitectura modernista a la Galería Nacional. En las habitaciones más viejas, los detalles clásicos principales fueron enfrentados por particiones y techos suspendidos, teniendo como objetivo crear arreglos neutrales que no distrajeran la vista de las pinturas. Pero el compromiso de la Galería con el modernismo duró poco; el estilo victoriano de 1890 ya no era considerado anatema y el programa de restauración empezó a devolver los interiores del siglo XIX y XX a su apariencia original. Esto empezó con el reacondicionamiento de las salas Barry en 1985–86. De 1996 a 1999 las galerías del Norte, consideradas hasta entonces carentes de características arquitectónicas, fueron remodeladas en estilo clásico, si bien más simplificado.^[19]​

La más importante adición al edificio en años recientes es el ala de Sainsbury, diseñada por los arquitectos postmodernos Robert Venturi y Denise Scott Brown que albergaba la colección de arte renacentista construida en 1991. El edificio ocupa el sitio Hampton está al oeste del edificio, donde una tienda departamental del mismo nombre estaba hasta su destrucción por el Blitz. a galería buscó expansión en espacio y en 1982 una competencia tomó lugar para encontrar el arquitecto adecuado; la lista incluía propuestas radicales de alta tecnología de Richard Rogers, entre otras. El diseño que ganó fue el más votado, de la firma Ahrends, Burton and Koralek, quienes modificaron propuesta para incluir una torre, similar a la propuesta de Roger. La propuesta se dejó después de que el Príncipe de Gales comparara el diseño con un «monstruoso grano en la cara de un querido y elegante amigo»,^[20]​ El término «grano monstruoso», para un edificio moderno que irrumpe en un entorno, se ha convertido en común.^[21]​^[22]​

Una de las condiciones de la competencia de 1982 era que la nueva ala tuviera incluida oficinas comerciales al igual que espacio público de galería. Sin embargo, en 1985 se hizo posible dedicar la ampliación completamente a los usos de la Galería, debido a una donación de casi £50 millones de Lord Sainsbury y sus hermanos Simon y Sir Tim Sainsbury. Una competencia cerrada tomó lugar y los temas producidos fueron más restringidos que la competencia pasada.

En contraste con la rica ornamentación del edificio principal, las galerías en el ala Sainsbury Wing están emparejadas y son íntimas, para contrastar con la pequeña escala de muchas pinturas. Las principales inspiraciones para estas salas eran las galerías de Sir John Soane para la Dulwich Picture Gallery y el interior de la iglesia de Filippo Brunelleschi (el revestimiento de piedra está en pietra serena, la piedra gris local de Florencia). Las galerías norte alineadas con el eje central de Barry, para que existiera una sola vista en el interior de la Galería. Este eje es exagerado por el uso de la perspectiva falsa, ya que las columnas flanqueando el espacio se abrían gradualmente en tamaño hasta que el visitante alcanzaba el punto focal (en 2009), una pieza de Cima deThe Incredulity of St Thomas. El acercamiento posmodernista de Venturi y Scott-Brown a la arquitectura está completamente evidenciado en el ala Sainsbury, con las características de estilo de edificios como en el club de casas en Pall Mall, la Scala Regia en el Palacio Apostólico de la Ciudad del Vaticano, las casas victorianas y los templos antiguos de Egipto.

Siguiendo la peatonalización de Trafalgar Square, la Galería se encuentra comprometida con un plan para convertir las oficinas desocupadas en la planta baja en espacio público. Este plan también llenaría el desuso de los jardines y haría uso de la tierra adquirida de la adjunta Galería Nacional de Portarretratos en St Martin's Place, que dio a la Galería Nacional en intercambio por la tierra de su 2000 extensión. La primera fase, el proyecto del ala este diseñado por Jeremy Dixon y Edward Jones, abierto al público en 2004. Esto propició un nuevo nivel de entrada en Trafalgar Square, llamado en honor a Sir Paul Getty. La entrada principal también fue reamueblada y abrió en septiembre de 2005. Los posibles futuros proyectos incluían un «Proyecto del Ala Oeste» relativamente simétrico con el Proyecto del Ala Este, el cual permitiría una futura entrada en planta baja y abrir espacio público en algunas de las pequeñas salas y el lejano final este del edificio. Esto podría incluir una nueva escalera pública en el final de la fachada este. Aún no se han anunciado fechas para los proyectos adicionales.

En abril de 2021, un jurado seleccionó a seis firmas de arquitectos (Caruso St John, David Chipperfield Architects, Asif Kahn, David Kohn Architects, Selldorf Architects y Witherford Watson Mann Architects) en un concurso de propuestas de diseño para modernizar el ala Sainsbury.^[23]​ ^[24]​

Una carta escrita en 1990 por uno de los donantes, John Sainsbury, fue descubierta en 2023 durante la demolición de dos columnas falsas en la que argumentaba que "las columnas falsas son un error del arquitecto y que viviríamos para lamentar haber aceptado este detalle de su diseño".^[25]​

En 2024, las excavaciones para la ampliación del ala Sainsbury en Jubilee Walk descubrieron evidencia de que el asentamiento anglosajón de Lundenwic se extendía más al oeste de lo que se había supuesto anteriormente.^[26]​

En septiembre de 2025, la National Gallery anunció planes para abrir una nueva ala, al norte del ala Sainsbury, entre Leicester Square y Trafalgar Square^[27]​^[28]​^[29]​ partir de St Vincent House, un edificio de la década de 1960 que fue adquirido por la organización benéfica a fines de la década de 1990.^[27]​ Los planes para la extensión se encargaron en 2018 y se anunciaron el 9 de septiembre de 2025 con un compromiso de financiación de £ 375 millones, que incluye dos donaciones separadas de £ 150 millones de la Fundación Crankstart y Julia Rausing Trust.^[27]​ Para diseñar y desarrollar la ampliación, la Galería Nacional abrió un concurso de arquitectura, que durará hasta el 17 de octubre de 2025, y los finalistas se anunciarán el 28 de noviembre de 2025.^[28]​ La organización benéfica dijo que anunciará al ganador de ese concurso en abril de 2026. ^[28]​ La ampliación se inaugurará a principios de la década de 2030 y tendrá espacio para presentar 250 pinturas adicionales.^[27]​

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