Das Gebäude hat seinen Namen von Gustav II. Adolf, der es errichten ließ, als der bisherige Universitätssitz nicht mehr ausreichte, den wachsenden Bedarf an hochqualifizierten Menschen für die aufstrebende Großmacht Schweden zu decken. Zu Beginn fanden sich außer Lehrsälen, Essens- und Leseräume für Studenten und eine Buchdruckerei im Gustavianum. Später kam eine Bibliothek dazu.

Die auffälligste Veränderung des Hauses fand 1662-63 statt, als der Anatomieprofessor und Universalgelehrte Olof Rudbeck eine Kuppel in der Mitte des Hauses errichten ließ, die eine Sonnenuhr krönt. In der Kuppel befindet sich das Theatrum anatomicum, ein runder Lehrsaal mit Seziertisch in der Mitte, der von steil aufragenden Reihen mit Stehplätzen umgeben ist, so dass 200 Menschen möglichst nah und mit freier Sicht das Geschehen verfolgen konnten. Während des Brandes in Uppsala vom 16. Mai 1702, bei dem Rudbeck viel seiner Arbeit verlor, soll er vom Dach des Gustavianums aus die Löscharbeiten dirigiert haben.

Zwischen 1778, als das alte Hauptgebäude abgerissen wurde, und 1887, als das heutige errichtet wurde, war das Gustavianum Hauptsitz der Universität Uppsala. Die Bibliothek war schon Mitte des 19. Jahrhunderts in den Neubau Carolina Rediviva ausgelagert worden.

Noch bis 1997 wurde das Gustavianum von den universitären Institutionen für alte Geschichte genutzt, seitdem ist es ausschließlich das Museum Gustavianum.

Schloss Uppsala wurde ursprünglich unter Gustav Wasa begonnen. Als Bauplatz wählte man die Erhebung südlich der damaligen Stadt mit dem Fluss Fyrisån zu Füßen. Nach der Überlieferung wurde 1549 hierfür der Grundstein gelegt, allerdings ist mit den eigentlichen Arbeiten schon 1547 begonnen worden.

Der Bau schritt in der Zeit von Karl IX. und Gustav II. Adolf weiter voran. In dieser Zeit wurde das sogenannte Langschloss gebaut, das sich vom östlichen Turn nach Norden erstreckte. Den Abschluss bildete der nördlich Turm, der 1614 fertiggestellt wurde.

1665 begann man, den Schlossgarten anzulegen. Heute befindet sich hier der Botanische Garten.

Am 16. Mai 1702 brannte das Schloss  ab, diesmal im Zug des großen Brandes, der ganz Uppsala heimsuchte. Eine Wiederherstellung des Schlosses wurde als unmöglich angesehen, und so wurden die Ziegel der verbliebenen Mauern zum Bau des Krankenhauses in Uppsala und des Stadtschlosses in Stockholm verwendet. Der südwestliche Turm wurde in der Folgezeit eingerissen. Erst 1744 beschloss Erbprinz Adolf Friedrich, die verbliebenen Teile des Schlosses wiederherzustellen.

Die Arbeiten dauerten von 1749 bis 1762. In dieser Zeit wurde das Langschloss wiederhergestellt und auch der nördliche Turm. Allerdings ruhten die Arbeiten vollständig nach 1762, ehe schließlich zwischen 1815 und 1820 der südliche Turm fertiggestellt wurde. Bis 1866 nutzte man diesen als Gefängnis.

Auf einem Mauerrest befindet sich seit 1756 ein hölzerner Glockenturm mit einer Glocke, die Königin Gunilla 1588 gießen ließ. Diese Glocke wird auch im Zusammenhang mit Valborg genutzt.

Im Schloss befinden sich seit Beginn des 20. Jahrhunderts verschiedene Einrichtungen der Universität Uppsala, ein Kunstmuseum und auch die Wohnung des Regierungspräsidenten der Provinz Uppsala.