Theo các tư liệu lịch sử và bi ký còn lưu lại, Chùa Tam Thai được khởi dựng khoảng năm 1630, vào thời Hậu Lê, khi vùng đất Đàng Trong đang dần trở thành một không gian giao thương và văn hóa sôi động. Từ một ngôi chùa trên núi, Tam Thai từng bước trở thành nơi tu hành, hoằng pháp của nhiều thế hệ tăng sĩ, trong đó có thiền sư Hưng Liên – nhân vật được nhắc đến trong lịch sử Phật giáo Đàng Trong cuối thế kỷ XVII.
Thiền sư Hưng Liên được ghi nhận có vai trò quan trọng trong việc truyền bá Thiền phái Tào Động tại Đàng Trong và gây dựng đạo tràng tại Tam Thai. Từ đó, ngôi chùa không chỉ giữ vai trò của một nơi thờ Phật mà còn trở thành một địa điểm có vị trí nhất định trong đời sống Phật giáo đương thời. Tên gọi Tam Thai bắt nguồn từ chính thế núi. Ba ngọn đồi nhỏ trên đỉnh Thủy Sơn nằm nối tiếp nhau, tạo thành ba tầng địa hình, được liên tưởng đến chòm sao Tam Thai trong quan niệm thiên văn cổ.

Lịch sử ngôi chùa cũng trải qua nhiều lần biến động. Trong thời Tây Sơn, Tam Thai bị tàn phá nặng nề bởi chiến tranh. Đến năm 1825, dưới triều Minh Mạng, chùa được xây dựng lại với quy mô lớn. Nhà vua ban sắc phong Quốc Tự, đồng thời ban tấm biển “Ngự chế Tam Thai Tự” cùng một kim bài hình trái tim lửa khắc ngự bút. Những dấu tích này đến nay vẫn được lưu giữ tại chùa.
Sau đó, Chùa Tam Thai tiếp tục đi qua nhiều lần hư hại và trùng tu. Một trận bão lớn năm 1901 gần như phá hủy công trình; đến năm 1907, chùa được phục dựng nhờ sự đóng góp của tăng ni và Phật tử. Các đợt tu bổ vào những năm 1964, 1968, 1995–1996 và những năm sau đó giúp công trình được gìn giữ đến ngày nay, đồng thời bảo tồn phần nào dáng vẻ cổ kính của một ngôi chùa đã hiện diện trên Thủy Sơn suốt nhiều thế kỷ.


