1080年，北宋時期著名書法家米芾在長沙做官，任長沙掾。有壹天，他去當朝尚書右仆射呂公著長沙家中做客時看到了《步輦圖》真跡，並應主人邀請在《步輦圖》上題跋，落款是“襄陽米芾”，並標明是在“長沙靜性齋觀”。
此後，長沙的其他士大夫也相繼於《步輦圖》上題跋。如題寫於1084年的跋文：黃公器跋文於長沙學舍觀；張向跋文書於長沙之靜鑒軒；劉次莊跋文書於長沙劉次莊；曹將美跋文；蔚宗跋文書於長沙驛舍。題寫於1085年的跋文：劉忱跋文；琰的跋文。
題寫於1086年的跋文：陶舜咨跋文；李康年跋文“子山太守官於鄂日……江夏李康年謹題其後雲”；張舜民跋文於長沙觀；鄧忠臣同孔武仲跋文於南楚門舟；張屋佺跋文於長沙縣齋；張知權跋文；楊長敝跋文；上官彜、田儼、杜垍等跋文；無日期落款的如:林定正跋文等。絕大部分都標明了是在長沙看的畫，說明這幅畫當時在長沙。據說，直至1091年時《步輦圖》仍為呂公著所收藏。1101年前後，北宋時期著名書畫家米芾所著《畫史》成書。《畫史》記載：唐太宗《步輦圖》，“有李德裕題跋，人後腳；差是閻令畫真筆。今在宗室仲愛、君發家”。又雲：“宗室君發以七百千置閻立本太宗《步輦圖》，以熟絹通為背畫，經黴變兩邊磨得畫面脫落。”
意思是說，在米芾之前，已有唐代晚期名相李德裕先其題跋。而他題跋僅是步其後腳。據米芾鑒賞，該畫為閻立本真跡。
而在1101年的前後，《步輦圖》已經轉手到了聲名顯赫的北宋時期皇親國戚恭王趙仲爰手中。《步輦圖》因梅雨潮濕兩邊脫開，畫面磨得脫落，其真跡為掛軸。
北宋宣和年間由官方主持編撰的宮廷所藏繪畫作品的著錄著作《宣和畫譜》載，《步輦圖》還曾被叔寶收藏，在卷中前後有“叔寶藏”等宋印。據南宋吳曾的筆記《能改齋漫錄》記載，北宋時期著名畫家李公麟也曾對《步輦圖》予以好評。此外，在書幅上鈐有金章宗完顏璟印。
1307年，元代畫家許善勝、姚雲在《步輦圖》上寫有跋文，但畫的藏處不詳。據說，該畫後來經由趙仲爰之手進入了元內府。自1323年至1329年，《步輦圖》已經進入元代內宮，歸元代內府收藏於集賢院登瀛堂西。
1323年，集賢院諸官在登瀛堂西同觀過此畫，並在畫上題有跋文：至治三年夏六月三日，集賢僚佐同觀於登瀛堂西。
同時，《步輦圖》上鈐有“八思巴文印”，八思巴文印印文為3行音譯漢字“集賢院經歷司印”。1328年，元代書畫鑒賞家湯垕將此畫載入《畫鑒》：閻立本畫……及見《步輦圖》，畫太宗坐步輦上，宮女三十余人，皆曲眉豐頰，神采如生。壹朱衣髯官執笏引班。後有贊普使者服小團花衣及壹從者。贊皇李衛公（德裕）小篆題其上，唐代人八分書贊普辭婚事。宋高宗題印完，真奇物也。1329年，元代畫家曾巽申在畫上題有跋文：天歷己已孟秋丁醜，登瀛委吏曾巽申審定謹識。
他在《步輦圖》上也鈐有“八思巴文印”，八思巴文印印文為4行音譯漢字“集賢院照磨兼管勾承發架閣庫印”。經其鑒賞，此畫就是米芾題過跋並記入《畫史》的那壹卷，是真跡無疑。
至明代，《步輦圖》上除了明代畫家吳新宇印外，還有明代大收藏家郭衢階諸印。經其鑒賞，此圖就是元代書畫鑒賞家湯垕將此畫載入《畫鑒》的《步輦圖》後，他於1585年在畫上題跋：右《步輦圖》，法度高古，真唐代人筆，章伯益篆尤佳，米南宮蓋鑒之審矣。萬歷十有三年春仲之望，郭衢階亨甫再題。
郭衢階寫“再題”，是因為在這幅《步輦圖》上，他已經鈐印在前。據說，郭衢階的題跋之所以說傳到明代的《步輦圖》仍然是趙仲爰手中的那壹幅，是“真唐代人筆”，是因為他的題跋是排在元代人壹個題跋的後面的；二是因為兩枚元代的八思巴文印是漢人難以模仿的。此外，明代時期的書畫著錄著作《清河書畫舫》和《珊瑚網》均曾收錄過《步輦圖》。
清代時，《步輦圖》在乾隆年間就進入了清代朝廷內府。有關《步輦圖》的情況，在清代乾隆、嘉慶年間宮廷編纂的大型著錄文獻《石渠寶笈》中也有清楚的記載：畫卷次等。唐閻立本畫《步輦圖》壹卷。次等天壹，素絹本，著色畫。卷中幅署‘步輦圖’三字，卷後章伯益篆書本事，並署雲：唐相閻立本筆。拖尾有米芾、黃公器、張向、劉次莊、曹將美、陶舜咨、鄧忠臣、張渥佺、曾巽申諸記語；
又江融（按應為澈字）書記語壹，又田儼諸人記語壹，又蔚宗記語壹，姓闕，下署關杞二字；又琰記語、壹姓並闕；又記語二，未署名；又劉忱、李康年、張知權、林定、姚雲、郭衢階
諸跋；又張舜民、許善勝題句二。
《石渠寶笈》的記錄雖然不全，沒有寫出《步輦圖》上題跋的全文和印鈐情況，卻羅列了大部分題跋人姓名，特別是米芾、曾巽申和郭衢階等，說明《石渠寶笈》所記錄的《步輦圖》畫就是郭衢階題過跋的畫卷，是《畫史》和《畫鑒》都曾記載過《步輦圖》，是閻立本的真跡。
後來，《步輦圖》畫面上的收藏印章說明，清代著名畫家梁清標、文學家納蘭性德、清仁宗愛新覺羅·顒琰等人均曾收藏過《步輦圖》。而且清代的書畫專著《式古堂書畫匯考》和《佩文齊書畫譜》等書均曾有過著錄。
清代末期，《步輦圖》被皇室成員偷偷帶出宮外，先被壹大臣獲得，後在天津被賣掉。據說，後來買到《步輦圖》的人愛不釋手，視為珍寶，他沒有舍得再轉售，而是將《步輦圖》真跡送給女兒做了嫁妝。之後，收藏《步輦圖》的主人又將此畫奉獻給了後來的北京故宮博物院珍藏。
這張畫和很多早期繪畫遺存壹樣，雖有爭議說此畫並不壹定是閻立本的真跡，而是宋代的摹本。但是這幅《步輦圖》的藝術價值則毫無疑義。這是壹幅唐代初期風格非常明顯、處理得簡潔而紮實的畫作，畫家充分利用了對比手法，從人物比例、姿態、神情氣質，以及性別帶來的感覺差異，甚至構圖的疏密對比各個方面來烘托主人公唐太宗，做得相當成功。
當畫面構圖唐太宗壹邊有過密、過重的視覺傾向時，畫家將整幅畫中最大面積、最鮮亮的顏色放在禮官的紅袍上，使得構圖兩邊在對比強烈的前提下又不失平衡。從任何壹個方面來講，《步輦圖》都足以令人稱道。
《步輦圖》以其珍貴的歷史和藝術價值被譽為“丹青神化”，它與東晉書畫家顧愷之的《洛神賦圖》、唐代著名畫家張萱與周昉的《唐宮仕女圖》、唐代畫家韓滉的《五牛圖》、五代時期畫家顧閎中的《韓熙載夜宴圖》等作品，被稱為“中國十大傳世名畫”。