天壹閣建於明嘉靖四十年（1561年）至四十五年（1566年），是當時兵部右侍郎範欽所建的私家藏書樓。範欽喜好讀書和藏書，平生所藏各類圖書典籍達7萬余卷。範欽所收藏圖書以方誌、政書、科舉錄、詩文集為特色。由於壹度位高權重，範欽的壹部分藏書為官署的內部資料，這也是普通藏書家難以獲得的。在他解職歸田後，便建造藏書樓來保管這些藏書。
範欽最早的藏書樓名為“東明草堂”。辭官歸家之後，隨著藏書的增多，亟需興建新的藏書樓。範欽根據鄭玄所著《易經註》中的“天壹生水……地六承之”之語，將新藏書樓命名為“天壹閣”，並在建築格局中采納“天壹地六”的格局，樓外築水池以防火，“以水制火”。同時，采用各種防蛀、驅蟲措施保護書籍。 範懋柱輯《天壹閣藏書總目》，序中提及“乾隆間詔建七閣，參用其式，且多寫其書入四庫，賜以圖書集成，亦至顯榮矣”。
1585年，範欽去世。據全祖望《天壹閣藏書記》載，範欽去世前，將家產分為藏書和其他家產兩部分。長子範大沖自願放棄其他家產的繼承權，而繼承了父親收藏的7萬余卷藏書，這也形成了天壹閣“代不分書，書不出閣”的祖訓。範大沖在維系和補充天壹閣藏書的同時，也建立了維系天壹閣藏書的族規，規定藏書歸子孫***有，非各房齊集書櫥鑰匙，不得開鎖。這些制度在天壹閣私藏時期（天壹閣始建至1949年）壹直保留，並得到歷代補充。
1665年，範欽的曾孫範文光在天壹閣前修造園林，用假山石形成“九獅壹象”等動物形態，改善了天壹閣周圍的環境。這壹時期同時也是天壹閣藏書最為豐富的時期。據考證，當時天壹閣藏書達到5000余部，70000余卷，此後直到1949年，藏書幾乎沒有增加。
1676年，範欽後人範光燮傳抄天壹閣百余種書籍供士子閱讀。範光燮破例幫助大學者黃宗羲登樓閱讀天壹閣藏書，使得黃宗羲成為第壹個進入天壹閣的外族人。黃宗羲為天壹閣編制書目，並撰寫《天壹閣藏書記》，贊揚範氏後人“範氏能世其家，禮不在範氏乎？幸勿等之雲煙過眼，世世子孫如護目睛”。天壹閣因而提高了在學者中的知名度。自此以後，天壹閣逐漸結束對外封閉的狀態，對著名學者開放，盡管獲得這種機會的學者並不多。
1773年，乾隆帝詔修《四庫全書》時，範欽八世孫範懋柱進呈天壹閣珍本641種，數量上名列全國第二，但質量壹流，包含大量珍本、善本。所呈藏書中，七分之五收入《四庫全書總目》，六分之壹全本抄入，但所有藏書未歸還，使得天壹閣藏書下降到4819部。乾隆三十九年六月，特頒諭旨，恩賞天壹閣《古今圖書集成》壹部，以示嘉獎，且派遣杭州織造寅著前往天壹閣了解建築格局，並下旨仿天壹閣建造文淵閣等“內廷四閣”，“閣之制壹如範氏天壹閣”，希望借鑒天壹閣的設計使得《四庫全書》能夠安全保存。。乾隆四十四年六月，賜範家郎世寧刻《平定回部得勝圖》十六幅。乾隆五十二年二月，再賜《平定兩金川戰圖》十二幅。
1829年，範筠甫、範邦冉等範氏後人對藏書樓進行大修，更換磚瓦臺階，修葺假山，疏浚池水，同時修訂天壹閣管理制度，立下禁碑三種，條款十五項，嚴格保證天壹閣圖書“書不出閣”。 1840年，鴉片戰爭爆發，1841年，寧波府城陷落。英國占領軍掠奪《大明壹統誌》等輿地書數十種。
至1847年，天壹閣中僅存書籍2223部。
1861年，太平軍攻陷寧波，盜賊乘亂盜取天壹閣藏書出售，後部分書籍被範欽十世孫範邦綏盡力購回。據薛福成命人所編《天壹閣見存書目》，至1884年，天壹閣存有原藏書2152部，***17382卷，《古今圖書集成》8462卷。
中華民國成立後的1914年，大盜薛繼渭潛入天壹閣，與樓外盜賊裏應外合，將盜走的天壹閣書籍運往上海，在書店中出售，後被商務印書館的張元濟巨資贖回壹部分，藏於東方圖書館涵芬樓，但在抗日戰爭中由於東方圖書館被炸而焚毀。這壹事件使得天壹閣藏書損失千部。
1933年9月18日，臺風造成天壹閣毀壞。在鄞縣縣長陳寶麟支持下，馮孟顓、楊菊庭等地方人士成立包含範氏後人的重修天壹閣委員會，將寧波府學內的尊經閣遷移至天壹閣內，並將80余方碑刻移至天壹閣後院，建立“明州碑林”。同時，在尊經閣西側開辟千晉齋，將寧波學者馬廉搜集的歷代古磚和寧波城墻拆除後收集的城磚予以陳列。
1933年天壹閣重建時，寶書樓藏書遷至範氏詒谷堂保存，政府派兵守衛
1937年，抗日戰爭爆發。為了保護天壹閣藏書，天壹閣經歷了建成370年以來的首次大範圍出閣。首批三箱書籍於1937年8月17日離開天壹閣。
1939年1月5日，第二批明以前版本八箱也運離天壹閣，運往鄉間暫避。
1939年4月12日，先前運出的兩批藏書和閣中剩余的藏書總計28箱，9080冊，由鄞縣政府加封，運往龍泉縣後方，暫存於跶石鄉，與浙江省圖書館的藏書壹同隱蔽。抗戰結束後，這批藏書被運往杭州，直到1946年12月16日，天壹閣藏書方才運回閣中，並於次年3月1日至3日進行了天壹閣建成以來的首次公開展出。 中華人民***和國成立前夕，周恩來曾指示保護天壹閣。占領寧波後，解放軍派專人保護天壹閣。1949年6月9日，寧波軍事管制委員會接管天壹閣，並使之成為事業單位，範氏後人範盈性、範鹿其成為公職人員。寧波多位本地藏書家將個人藏書捐獻給天壹閣，這極大地豐富了天壹閣的藏書。
1982年，天壹閣入選第二批全國重點文物保護單位。天壹閣已經擁有藏書30萬卷，並仍在增加，同時設有專門的古籍修復部門。
2003年被評為國家4A級旅遊景點。
2007年又被公布為全國重點古籍保護單位。
2010年底，天壹閣古籍數字化平臺建立，以館藏善本為主的3萬冊古跡得到數字化，供在線查閱。
2012年10月9日從南昌市滕王閣管理處證實滕王閣(南昌市)、嶽陽樓(嶽陽市)、黃鶴樓(武漢市)、鸛雀樓(山西永濟市)、蓬萊閣(山東蓬萊市)、大觀樓(昆明市)、閱江樓(南京市)、天心閣(長沙市)、鐘鼓樓(西安市)、天壹閣(寧波市)等十大中國歷史文化名樓，將***同申報聯合國物質文化遺產。