Początki istnienia tarnowskiego ratusza, budowli ściśle związanej z dziejami miasta lokowanego w 1330 roku, sięgają połowy XV wieku. Pierwotnie mogła to być budowla drewniana, podobnie jak cała ówczesna zabudowa miasta, która została zniszczona w czasie pożaru w 1494 roku. W jej miejsce powstały prawdopodobnie dwie murowane z cegły budowle; dzisiejszy trakt wschodni mieszczący obecnie szatnię i biuro, oraz właściwy ratusz z przylegającą od strony północno-zachodniej kwadratową wieżą zegarową.Istnienie budynku ratusza potwierdza dokument z 1526 roku mówiący o osadzeniu drzwi do wieży zegarowej. Pomiędzy budowlami znajdowała się kilkumetrowa, ocembrowana studnia, która najprawdopodobniej pełniła funkcję kabatu – więzienia miejskiego, gdzie przetrzymywano oskarżonych. Domniemany kabat, obecnie przeszklony, jest widoczny z płyty rynku od strony północnej.
Szesnasty wiek, kiedy miasto znakomicie się rozwijało, przyniósł dwie ważne przebudowy ratusza. Pierwsza miała miejsce w pierwszej ćwierci XVI stulecia i polegała na połączeniu w całość odrębnych dotychczas budowli oraz nadbudowie piętra. Była to przebudowa utrzymana jeszcze w stylu gotyckim, o czym świadczy zachowany wewnątrz ceglany ostrołuk nadproża, zamykający wejście do ówczesnego ratusza. Najważniejsza przebudowa i rozbudowa obiektu, której zawdzięczamy wygląd obecny, miała miejsce w latach 60. i 70. XVI wieku. Powiększono wówczas ratusz o podpiwniczoną część zachodnią, przekształcając całość budowli w duchu renesansu na wzór krakowskich Sukiennic. Prosta, kubiczna bryła ratusza została zwieńczona wysoką, ceglaną ścianą attyki, za którą kryje się tzw. dach pogrążony. Attykę, kontrastującą obecnie kolorem cegły z otynkowanymi ścianami budynku ozdobiono 28 blendami, w których pierwotnie były umieszczone portrety kolejnych właścicieli miasta z rodu Tarnowskich od Spycimira aż do Jana Krzysztofa Tarnowskiego; całość mogła być wykonana w technice sgraffita. Najbardziej dekoracyjny element attyki – grzebień – ozdobiono naprzemiennie sterczynami i maszkaronami, połączonymi podwójnymi esownicami. Liczba maszkaronów (14) miała symbolizować członków starej i nowej rady miejskiej. Oryginalne, wykonane z piaskowca wykazują duże podobieństwo do maszkaronów krakowskich Sukiennic, których autorem był Santi Gucci, architekt i rzeźbiarz pochodzenia włoskiego. Renesansowa modyfikacja przyniosła zmiany w wyglądzie elewacji południowej, gdzie dodano ryzalit w południowo-wschodnim narożniku i połączoną z nim zewnętrzną klatkę schodową prowadzącą do pomieszczeń na piętrze. Klatkę schodową poprzedza dekoracyjny zewnętrzny portal, ujęty pilastrami i półkolumnami z trójkątnym przyczółkiem, w którym umieszczono herb Leliwa, będący jednocześnie herbem rodu Tarnowskich, jak i miasta. Na tarczy herbowej umieszczono litery T C V C – TARNOVIAE CIVITATIS VERA CLENODIUM – TARNOWSKIEGO MIASTA WIERNY KLEJNOT. Belkowanie portalu zdobi łacińska sentencja DOMINUS CUSTODIAT INTROITUM ET EXITUM TUUM – NIECH PAN STRZEŻE WEJŚCIA I WYJŚCIA TWEGO. Poszczególne elementy portalu dodatkowo zdobi bogata ornamentyka o antycznym rodowodzie.
Kolejne wieki nie przyniosły istotnych zmian w wyglądzie ratusza, poza dobudowaniem od południa budynku wagi miejskiej. Budynek wagi – widoczny na akwareli Zygmunta Vogla z 1800 roku – został wyburzony podczas remontu prowadzonego w latach 1889-1892 przez architekta miejskiego Szczęsnego Zarembę. Zachowano zewnętrzną bryłę budynku, natomiast daleko idącym zmianom uległy wnętrza, szczególnie parteru, gdzie wyburzono zniszczone sklepienia. Dawne sklepienia kolebkowe pozostały jedynie w części wschodniej. Ingerencja dotknęła również pomieszczeń na piętrze, gdzie poszerzono i ozdobiono neorenesansowymi stiukami Salę Rady, nadając jej reprezentacyjny charakter. Wejście do Sali zdobi renesansowy portal, którego nadproże opatrzone jest inskrypcją IUSTITIAE FUNDAMENTUM FIDES – WIARA PODSTAWĄ SPRAWIEDLIWOŚCI, prowadził on niegdyś z klatki schodowej do pomieszczeń na piętrze. Wnętrze klatki schodowej otrzymało wówczas rzeźbioną dekorację heraldyczną z herbami: Sobieskich, Sasów, Wazów, orłem piastowskim i zygmuntowskim oraz inicjałem Kazimierza Wielkiego.
Podczas rewaloryzacji i adaptacji budynku na cele muzealne w latach 1962-1968 prowadzonej przez J. E. Dutkiewicza na ścianach dawnej Sali Pospólstwa odkryto pozostałości polichromii wzorowanych na miedziorytach (grafikach) umieszczonych w dziele Francesco Pone „Cordiomorphoseos sive ex corde desumpta emblemata sacra”, czyli „Kształty serca albo z serca wybrane święte” z 1645 roku. Włoski pierwowzór został tu wykorzystany do prezentacji cnót obywatelskich zgromadzenia miejskiego. Rajcom i władzy sądowniczej przypominała o moralnych podstawach ich działań, rządzonych i sądzonych zachęcała do ufności i pokory. Oryginalne malowidła powstałe prawdopodobnie w początkach XVIII wieku, zachowane fragmentarycznie, zostały obwiedzione wgłębnym konturem dla odznaczenia od uzupełnień wprowadzonych przez J. E. Dutkiewicza. Niewysoką klasę artystyczną malowideł rekompensuje ich wartość historyczna i przesłanie ideowe.
W pierwszym dziesięcioleciu XXI wieku przeprowadzono kolejny gruntowny remont, w wyniku którego zaadaptowano na potrzeby magazynów nieużytkowe dotychczas poddasze oraz piwnice, gdzie powstała między innymi Sala Edukacyjna. Ze względu na konserwatorski charakter pozostałe pomieszczenia nie uległy zmianom. Jedynym nowoczesnym elementem są zawieszone na metalowej konstrukcji szklane schody prowadzące na poddasze,… oraz w XXI wiek.
Wieża. Czworoboczna część wieży, aż do skośnego fryzu ułożonego z cegieł, jest jedną z najstarszych części ratusza. Podwyższona w okresie renesansu o część cylindryczną, osiągnęła wysokość 28 metrów. Na jej szczycie umieszczono wówczas podwieszony na kroksztynach ganek, gdzie czuwała straż, która miała ostrzegać przed pożarem. Stanowisko straży ogniowej mieściło się na wieży aż do drugiej wojny światowej. Według zachowanego widoku Tarnowa z 1644 roku, hełm wieży wieńczył herb miasta Leliwa. Został zastąpiony widoczną do dziś Pogonią, herbem książąt Sanguszków, dziedziców Tarnowa od XVIII wieku. Od czterdziestu lat, w południe, ze szczytu wieży rozlega się głos hejnału skomponowanego przez Stanisława Rzepeckiego w 1972 roku.
Zegar. Najstarsza wzmianka o istnieniu zegara wieżowego pochodzi z początku XVI wieku, uległ on jednak zniszczeniu podczas pożaru w roku 1663. Pozostałością po nim są dzwony zegarowe wybijające na wieży godziny i kwadranse, obecnie eksponowane w Sali Pospólstwa. Większy z nich, opatrzony herbem Leliwa i datą D.7 MENSIS IULY ANNO DOMINI 1631 (Dnia 7 lipca Roku Pańskiego 1631) został odlany przez tarnowskiego ludwisarza Pawła Biela. Zniszczony zegar zastąpiono nowym, z mechanizmem typu szkieletowego, czynnym do dziś, który jest najstarszym działającym zegarem wieżowym w Małopolsce. Mechanizm można obecnie zobaczyć z poziomu poddasza ratusza.
Ratusz od początku swego istnienia aż do 1931 roku, kiedy został przekazany na cele muzealne, był budowlą, w której urzędowały władze miasta. Na piętrze od zachodu mieściła się sala radziecka, gdzie odbywały się posiedzenia rady miejskiej i urzędował sąd wójtowsko-ławniczy. Obok umieszczony był skarbiec, w którym przechowywano pieczęcie, księgi miejskie, przywileje. Oba pomieszczenia zostały połączone w XIX wieku, tworząc dzisiejszą Salę Rady. Największym, reprezentacyjnym pomieszczeniem na piętrze była Sala Pospólstwa, gdzie dokonywano m.in. wyboru władz miejskich i gdzie odbywały się różnego rodzaju uroczystości. Od strony wschodniej mieściła się kancelaria pisarza miejskiego oraz szafarnia – kasa miejska. Na parterze znajdowała się tzw. wietnica, gdzie sprzedawano między innymi: sól, świece łojowe, dziegieć (smołę drzewną) oraz waga miejska, zbrojownia i mieszkanie dla instygatora – oskarżyciela publicznego. Część znajdujących się tu „sklepów”, czyli pomieszczeń sklepionych, wydzierżawiano na magazyny. Pomieszczenia parteru ulegały wielokrotnym przekształceniom – w zależności od potrzeb – tracąc swój pierwotny wygląd.