Sau khi đã chọn Phú Xuân làm kinh đô, năm 1803 Gia Long liền quyết định cho xây dựng Văn Miếu và Quốc Tử Giám tại đó. Quốc Tử Giám ban đầu được mang tên là Quốc Học Đường(hay Đốc Học Đường). Vị trí được chọn xây thuộc địa phận xã An Ninh Thượng, huyện Hương Trà, cách kinh thành Huế chừng 5km về phía Tây, nằm cạnh Văn Miếu, hướng ra sông Hương nên cảnh vật rất hữu tình. Lúc đầu, quy mô kiến trúc của trường còn nhỏ, chỉ gồm một tòa nhà chính ở giữa và hai dãy nhà hai bên, dùng làm chỗ để quan Chánh, Phó Đốc Học giảng dạy. Sang thời Minh Mạng, nhà vua có dụ rằng; "Trẫm từ khi lên ngôi đến nay, chăm chăm đến việc tác thành nhân tài, đặt nhà học, cấp lương cho sinh viên, gia ân cho học trò, ban phát sách vở, đều mong học trò thành tài để nhà nước dùng". Kể từ đó, quy mô của Quốc Tử Giám đã được phát triển to lớn hơn. Năm 1821 nhà vua cho dựng tòa Di Luân Đường gồm 5 gian 2 chái, phia sau là một tòa Giảng đường 7 gian 2 chái;  hai dãy nhà học hai bên đều 3 gian 2 chái, xung quanh là tường thành bảo vệ.  Mặt trước, mặt sau đều trổ cửa vòm để ra vào. Sau đó 5 năm, triều đình lại cho xây dựng hai dãy phòng học cho Giám sinh trọ học, mỗi dãy 9 gian, cùng một vài phòng ở cho các viên Tế Tửu (Hiệu trưởng), Tư nghiệp (hiệu phó) lưu trú, Lúc bấy giờ cả nước chỉ có một trường Đại học ở Kinh thành nên sinh viên quy tụ về đây rất đông. Năm 1844 khi  xếp trường này vào danh thắng thứ 18 của Kinh đô Huế, vua Thiệu Trị đã làm bài thơ có tựa là "Huỳnh Tự Thư Thanh" để ca ngợi cảnh trường, trong đó hai câu cuối đã nói lên tinh thần khuyến học của thời đại:

"Tốn chí sạch cần tương bá cáo
Hưng văn dụng úy đãi hiền tâm"

(Dịch nghĩa của Vĩnh Cao:
Khuyến học chuyên cần luôn gắng sức
Văn chương thịnh mãi trọng hiền tâm ).
                                     (Trích "Thơ văn Thiệu Trị", TH, 1987)

Năm 1854 trong một lần tới thăm trường, vua Tự Đức đã làm một bài văn và một bài thơ gồm 14 chương để răn dạy và khuyến khích sinh viên học hành. Toàn bộ trước tác này đã được khắc vào một tấm bia đá thanh lớn, dựng trước sân trường.
Vào thời đó, điều kiện nhập học cũng tương đối rộng rãi; học sinh chỉ cần có một trong ba điều kiện sau đây là được vào học:
  - Trúng tuyển trong một cuộc sát hạch cấp phủ, tổ chức ba năm một lần, một phủ chọn một người trong số Tú Tài (1) hoặc Sinh đồ (2) trên 40 tuổi gọi là Cống Sinh.
  -Đã đậu Cử nhân và đang chuẩn bị thi Hội.
  -Là thiếu niên ưu tú trong Hoàng tộc (được nhận với tư cách Tôn học sinh) hay con cháu các quan (được nhận với tư cách Ấm sinh).
     Hệ thống tổ chức Quốc Tử Giám còn có chế độ ưu đãi cho thanh niên miền thượng du như Tuyên quang, Cao Bằng, Lạng Sơn, Thái Nguyên, Hưng Hoá ... không cần xét độ tuổi và học lực, chỉ cần các địa phương xác nhận xuất sắc và giới thiệu là được nhận vào học với danh hiệu Học sinh.  Sau ba năm dự bị, sẽ được sát hạch và nếu trúng tuyển sẽ được xếp vào hạng Cống sinh. Như vậy, giám sinh (gọi chung học sinh QTG) có thể chia làm hai thành phần;
   -Một là giám sinh có văn bằng Cử nhân và các cống sinh từ các phủ giới thiệu.
  - Hai là thành phần dự bị gồm : Tôn học sinh (thuộc Nguyễn Phước Tộc cử sang), Ấm sinh (con cháu các quan lại) và các Học sinh (từ các tỉnh miền núi).
    Tùy theo thành phần, giám sinh có quyền được ở nội trú, được miễn thuế đinh, được cấp áo mão, hưởng học bổng bằng tiền và hiện vật theo quy định hàng tháng như sau :

         Qua đó ta thấy triều đình nhà Nguyễn cũng đã có những chính sách cụ thể để ưu đãi và hỗ trợ cho giám sinh, tạo điều kiện cho giám sinh được học tập tốt, (tùy đối tượng, có khi  học bổng cấp cho một giám sinh tương đương với lương của một quan từ Ngũ phẩm trở xuống).
         Chương trình học của nhà trường được chia theo các ngày chẳn, lẽ để dạy các loại sách sử, như Kinh truyện, Sách, Sử, Tinh, Lý ...
         Ngôi trường này tồn tại gần 90 năm kể từ khi có tên gọi Quốc tử Giám dưới thời  Minh Mạng (1820) với quy mô hoàn chỉnh nhất. Vào năm 1904, cơn bão Giáp Thìn đã làm cho Quốc Tử Giám hư hỏng nặng, sau đó được tu bổ lại một vài lần.
  Vào thời Duy Tân, năm 1908. Quốc Tử Giám được dời về khu vực phía Đông Kinh thành Huế. Các công trình kiến trúc có một số thay đổi về quy mô, vật liệu xây dựng nhưng cơ cấu phòng ốc, tên gọi công trình thì hầu hết vẫn được giữ lại. Hiện nay, tại nhà Di Luân Đường vẫn còn hai bức hoành phi ghi tên của công trình này cùng niên đại xây dựng và cải tạo.

(1) (2) Tên gọi Tú tài có từ năm 1823. Trước đó, năm 1396 những người đỗ thi Hương được gọi là Cử nhân, đến  năm 1462 vua Lê Thánh Tôn bỏ danh vị Cử nhân và chia những người đỗ thi Hương ra làm hai cấp là Hương cống và Sinh đồ (tức Tú tài về sau). Năm 1828 vua Minh Mạng lại đổi Hương cống thành Cử nhân như trước và gọi Sinh đồ là Tú tài.