Divadlo pod Palmovkou navazuje na činnost Městského a oblastního divadla Žižkov, které zahájilo provoz  1948 v sále žižkovské Akropole a v průběhu roku 1949 se přemístilo do sálu v Praze 8-Libni, kde působí dodnes.

Budova a místo Divadla pod Palmovkou má dlouhou divadelní tradici. Ve zdejším zájezdním hostinci „U Deutschů“, na jehož místě dnesdivadlo sídlí, se zřejmě již od roku 1865 příležitostně hrávalo ochotnické divadlo a pořádaly kulturní akce i lidové veselice. Koncem 19. století pro ně vznikl na zahradě hostince dokonce i velký taneční sál. Když v roce 1892 získal jeden z majitelů hostince, Jan Hurt, divadelní koncesi, byl tento sál upraven na divadlo. O něco později k divadelnímu sálu přibyla i letní divadelní aréna. Přes četné provozní a finanční problémy patřilo tehdejší libeňské divadelní dění k důležitým kulturnímudálostem v Praze – především proto, že bylo jedním z nemnoha stálých míst, kde se pěstovalo divadlo české. Zprvu se „U Deutschů“ pěstovala hlavně opereta, pro finanční obtíže však tyto divadelní pokusy ztroskotaly.

V roce 1949 se do někdejšího divadelního sálu přemístil mladý žižkovský soubor Městského a oblastního divadla, který se na Žižkově potýkal s nedostatkem diváků. Herci souboru poté „brigádnicky“ opravili značně zchátralý divadelní sál. Zprvu se divadlu v Libni příliš nedařilo, soubor odehrával většinu představení na zájezdech. Postupně si však soubor vydobyl své místo v pražské divadelní nabídce.

Od padesátých let až do roku 1992 neslo libeňské divadlo název Divadlo S. K. Neumanna. Jeho první skutečně hvězdná éra začala za doby ředitelování Václava Lohniského všedesátých a raných sedmdesátých letech dvacátého století, kdy v Divadle SKN působila celá řada vynikajících osobností českého divadelního života a kdy se zde uskutečnila řada československých premiér. Tehdy patřilo libeňské divadlo k nejsledovanějším v Praze. I v sedmdesátých a osmdesátých letech dvacátého století v Libeňském divadle působila řada vynikajících herců a režisérů.

V roce 1990 byl někdejší název Divadlo S. K. Neumanna změněn na Divadlo pod Palmovkou. V roce 1992 se stal jeho ředitelem režisér Petr Kracik. Za jeho vedení začala druhá velká éra libeňského divadla, které v průběhu devadesátých let patřilo k nejnavštěvovanějším a nejsledovanějším divadlům v Česku. Se svými 93,5 % průměrné divácké návštěvnosti (stav k 1. 1. 2009) se stále drží v popředí návštěvnosti českých divadelních scén. Klade dlouhodobý a cílený důraz na pečlivou hereckou práci a orientuje se především na kvalitní repertoár, často tzv. klasický. V září 2013 se novým ředitelem a uměleckým šéfem Divadla pod Palmovkou stal Michal Lang.

V roce 2002 bylo divadlo velmi těžce poškozeno během velké povodně na řece Vltavě, poté prošlo nákladnou rekonstrukci. Znovu poškozeno v menším rozsahu pak bylo i během velké povodně v roce 2013, kdy se rozvodnila nejen Vltava, ale i její pravostranný přítok, říčka Rokytka, která protéká severním směrem nedaleko od divadelní budovy. I když rozsah škod byl oproti předchozím povodním relativně malý, vzhledem k velkému poškození technického zázemí instalovaného ve sklepních prostorách přichází divadlo i tak o celou sezonu 2013/2014 a k obnovení provozu včetně podkrovní malé scény dojde pravděpodobně až na jaře 2015. Soubor divadla proto hostuje v několika jiných pražských divadlech (Divadlo ABC, Divadlo v Dlouhé, Divadlo Komedie) a na zájezdech po celé republice, někdejší stálý host Malé scény, Komorní činohra, se přestěhoval do divadla Troníček (zpočátku mělo jít o dočasné řešení na sezónu 2013/14, ale nové vedení divadla již Komorní činohře neprodloužilo nájemní smlouvu).