ایران بتدریج از قرون شانزدهم و هفدهم میلادی مورد توجه كشور‌های اروپایی قرار گرفت و از اواخر قرن هجدهم و با شدت گرفتن رقابت استعماری میان انگلستان و روسیه به عرصه فعالیت این دو قدرت تبدیل شد. از پیامدهای این شرایط می‌توان به شكست‌های پیاپی در جنگ با روسیه طی سال‌های 28 ـ 1218ق و 43 ـ 1241 ق و جدایی هرات در 1273ق اشاره كرد.
با توجه به ضعف سیاسی و نظامی و زوال فرهنگی و اقتصادی حاكم بر ایران در قرن نوزدهم، طیف نواندیش هیات حاكمه برای جبران عقب‌ماندگی كشور در صدد انجام اصلاحات و دستیابی به علوم و دانش‌های جدید برآمدند. از جمله این افراد می‌توان به میرزا تقی‌خان امیركبیر، صدراعظم ناصرالدین شاه اشاره كرد.
میرزا محمد تقی‌خان امیركبیر از بزرگ‌ترین رجال عصر قاجار بود كه با توجه به لیاقت و كاردانی‌اش بتدریج مورد توجه ناصرالدین میرزا ولیعهد قرار گرفت و پس از به تخت نشستن وی (ناصر الدین شاه)، در 1264ق صاحب عنوان صدراعظم شد. از مهم‌ترین اقدامات وی در زمینه رشد علوم و دانش‌های جدید و آموزش نوین، تاسیس مدرسه دارالفنون بود.
در زمان طولانی پس از صفویه تا قاجاریه، شیوه تعلیم، تربیت، علم و دانش در ایران تغییر چندانی نكرده بود. در دوره قاجار افراد برای سوادآموزی دو راه پیش رو داشتند: یكی مدارس دینی و دیگری مكتب‌خانه‌هایی كه به كودكان خواندن و نوشتن یاد می‌دادند.
این نوع آموزش كه محدود به تعلیم تعدادی كتاب چون گلستان سعدی، جامع عباسی و... بود و كارایی چندانی نداشت، سواد شاگردان منحصر به خواندن و نوشتن فارسی و عربی می‌شد و هیچ‌گونه آشنایی با علوم جدید پیدا نمی‌كردند.
در زمان ناصرالدین شاه، نیاز به تاسیس مدرسه برای آموزش علوم جدید مورد توجه قرار گرفت. امیركبیر با آگاهی كامل از دستگاه ناكارآمد اداری ایران و آشنایی با زندگی و دانش‌های جدید، در مدت اقامت در روسیه و عثمانی، بخوبی نیاز به افرادی كاردان و بهره‌مند از دانش جدید را دریافته بود. وی ابتدا گروهی را برای آموزش صنایع جدید به روسیه اعزام كرد، اما بزودی دریافت كه این مسأله راه‌حلی كوتاه‌مدت است و باید با ایجاد موسسه‌ای علمی در داخل و دعوت از استادان خارجی، این مشكل را به صورت اساسی مورد توجه قرار دهد.
امیركبیر در صدد ایجاد مركزی برای آموزش‌های نوین در ایران بود، �ذهن امیر... در درجه اول معطوف به دانش و فن جدید بود و بعد به علوم نظامی توجه داشت�. هدف وی تاسیس مدرسه‌ای فنی، نظامی، طبی و صنعتی برای رفع نیازهای كشور و آشنا ساختن مردم ایران با صنایع و فنون جدید اروپایی و انتشار آن در ایران بود، در ابتدا برای آن كه این مركز جدید با مخالفت‌های جدی مواجه نشود آن را مكتبخانه شاهی یا تعلیم خانه خواندند.
امیرکبیر محل ساختمان را خود شخصاً در مجاورت کاخ‌های سلطنتی و در مکانی که سربازان آموزش نظامی می‌دیدند با موافقت ناصرالدین شاه انتخاب کرد، و به میرزارضاخان مهندس تبریزی که یکی از پنج نفر محصل اعزامی به لندن در زمان عباس میرزا بود دستور تهیه نقشه ساختمان را داد. نقشه ساختمان با استفاده از طرح عمارت سربازخانه ولیچ انگلیس در اواخر سال 1229 آماده و محمدتقی معمارباشی به احداث آن مأمور شد و کار را آغاز کرد. قسمت شرقی بنا در سال 1230اتمام یافت.
هشتاد سال پس از فعالیت و در سال 1308 (1348 قمری) ساختمان مدرسه به دستور اعتمادالدوله وزیر وقت معارف تخریب شد و ساختمان فعلی با نقشه مهندسی روسی ساخته شد.
ساختمان مدرسه پنجاه اتاق مربعی چهار در چهار ذرعی داشت که در چهارطرف حیاط قرار گرفته بودند. وضعیت ظاهری همه این اتاقها �منقش و مذهب� توصیف شده که مشخص است همه آنها دارای تزیینات چشم نواز نقاشی و گچبری رنگی بوده‌اند. جلو اتاقها ایوان و سایبان ساخته بودند. در وسط حیاط مدرسه حوض بزرگی قرار داشت که در اطراف آن باغچه‌هایی برای کاشت درخت و ایجاد فضای سبز و گلکاری ایجاد شده بود. حد فاصل باغچه‌ها را خیابان کشی و با آجرهای بزرگ معروف به قزاقی فرش کرده بودند. در ضلع شرقی و در پشت کلاسها چندین مغازه ساخته بودند که وزارت علوم و معارف در بالاخانه آنها مستقر بود.
در ضلع شمالی و پشت ساختمان مخابرات امروزی محوطه‌ای وسیع با چند اتاق کوچک و بزرگ قرار داشت که مخصوص دانشجویان شعبه نظامی و بعد از آنها موزیک بود. دارالفنون مجهز به آزمایشگاه فیزیک و شیمی و داروسازی، چاپخانه، کتابخانه، سفره خانه یا غذاخوری بود. در یکی از اتاقهای آن دواسکلت برای آموزش دانشجویان پزشکی نگهداری می‌شد.
در نیمه اول سال1304 قمری نیرالملوک وزیر علوم با همکاری امین السلطان وزیر مالیه با خرید و تخریب خانه‌های ساکنان ضلع جنوبی مدرسه، تالار بزرگ نمایش را ساخت تا ناصرالدین شاه، که در سفر فرنگ با تئاتر آشنا شده بود، در آن به تماشای تئاتر بپردازد. در اصلی مدرسه ابتدا به خیابان باب همایون باز می‌شد که بنا به مصالحی آن را بستند و در ورودی را به خیابان ناصریه یا ناصر خسرو فعلی باز کردند.
ساختمان دارالفنون زمان امیرکبیر هشتاد سال پا برجا ماند و با وجودی که همچنان قابل استفاده بود، در سال 1308 خورشیدی تخریب شد. در این سال میرزا یحیی خان اعتمادالدوله قراگزلو وزیر معارف وقت ساختمان اولیه را در هم کوبید و با نقشه و نظارت مارکف، مهندس روسی، ساختمان فعلی رابه جای آن ساخت. علی اصغر حکمت وزیر فرهنگ وقت نیز در سال 1313 در شمال و جنوب، عمارتی را بر آن افزود. در حال حاضر در ورودی بنا در شمال شرقی مدرسه و رو به خیابان ناصر خسرو باز می‌شود.
این دروازه به شیوه معماری سنتی دارای طاق زنجیره‌ای بلندی است. در دوسوی درگاه دوستون استوانه‌ای نقره‌ای رنگ طاق این دروازه رانگه داشته‌است. درست بالای در دولنگه‌ای چوبی و قهوه‌ای رنگ مدرسه واژه دارالفنون و سال تأسیس آن 1268 قمری را بر کاشی نوشته‌اند. این در که در یکی از چهار کنج مدرسه قرار دارد به فضایی هشتی مانند باز می‌شود که از سوی دیگر به فضای حیاط راه دارد. ساختمان دو طبقه مدرسه در زمینی مستطیلی بنا شده‌است.
در رأس هر چهار ضلع چهار پلکان مارپیچی طبقه پایین مدرسه را به طبقه بالا متصل می‌کند. درحاشیه بیروین پله‌ها نرده آهنی تو پری نصب شده‌است که مانع از سقوط افراد می‌شود. ساختمان کنونی سی و دو کلاس درس دارد: دوازده کلاس دردو طبقه ضلع شرقی و به همان اندازه در ضلع غربی و هشت کلاس در دو طبقه ضلع شمالی. سالنهای نمایش و غذاخوری نیز در ضلع جنوبی ساخته شده‌اند. احتمالا این دو سالن باید از همان بناهای اولیه دارالفنون باشد و مارکف ساختمان کلاسها را تخریب وبازسازی کرده‌است.