El edificio fue construido en 1875 por Emili Sala Cortés (1841-1920),3 un arquitecto autor de varios edificios en Barcelona y provincia, como la Casa Elizalde (1885), el Palacio Tolrà en Castellar del Vallès (1890), el Hotel Duques de Bergara (1898), la Casa Emilià Carles (1898), las Escuelas Ribas en Rubí (1912-1915) o el Panteón de la familia Fargas en La Garriga. Sala era además profesor de la Escuela de Arquitectura de Barcelona, y fue uno de los maestros de Gaudí, al que empleó ocasionalmente como delineante.
En 1903 el edificio fue adquirido por el industrial Josep Batlló i Casanovas, un rico hombre de negocios que poseía diversas fábricas textiles en Barcelona. Estaba casado con Amàlia Godó i Belaunzarán, de la familia de los condes de Godó, editores del diario La Vanguardia, con la que tuvo cinco hijos. El matrimonio vivió en la planta noble de la casa hasta la defunción de ambos (en 1934 el señor Batlló y en 1940 su mujer), la cual fue vendida en 1954 por sus hijos, instalados a su vez en otros pisos algunos de los cuales han sido habitados hasta hoy día.4 Batlló compró el edificio por 510 000 pesetas, con la primera intención de derribarlo y construir uno nuevo, aunque luego se conformó con reformarlo, y mientras él se reservó la planta principal el resto lo explotó en régimen de alquiler, como era habitual en las casas burguesas de la época (aunque también entregó algunos pisos a sus hijos según se iban casando).5
El edificio se ubicaba en pleno Ensanche de Barcelona, proyectado por Ildefons Cerdà y aprobado en 1859, con un sistema reticular de manzanas de viviendas con los ángulos recortados, con la previsión de edificar por dos lados y dedicar el resto a jardines, punto este último que finalmente no se llevó a cabo. Con el Ensanche, el Paseo de Gracia se convirtió en una de las principales arterias de la ciudad, por lo que fue elegido por la burguesía catalana para fijar sus residencias, gracias a lo cual esta vía creció rápidamente y se convirtió en un hervidero constructivo donde desarrollaron su labor los mejores arquitectos de Barcelona. Cabe resaltar que en el mismo Paseo de Gracia había efectuado Gaudí anteriormente otras dos intervenciones hoy desaparecidas: la Farmacia Gibert (1879) y la decoración del bar Torino (1902); y posteriormente construyó en la misma avenida la Casa Milà (1906-1912).
Para la remodelación Batlló encargó el proyecto a Gaudí, por aquel entonces un arquitecto ya de gran renombre, que en aquella época trabajaba en diversos proyectos a la vez: el Templo Expiatorio de la Sagrada Familia (1883-1926), la Torre Bellesguard (1900-1909), el Parque Güell (1900-1914) y la restauración de la Catedral de Santa María de Palma de Mallorca (1903-1914).7 El industrial quedó tan impresionado con la obra del arquitecto que lo recomendó a su amigo, Pere Milà i Camps, para el que Gaudí construyó la Casa Milà (conocida popularmente como la Pedrera) entre 1906 y 1912.
El arquitecto se centró en la fachada, el piso principal, el patio de luces y la azotea, y levantó un quinto piso para los servicios de la casa (lavaderos y trasteros). Gaudí contó con la colaboración de sus ayudantes Francesc Berenguer, Josep Maria Jujol, Domènec Sugrañes, Josep Canaleta, Joan Rubió y Jaume Bayó i Font; del constructor Josep Bayó i Font (hermano de Jaume); los hierros eran de los hermanos Lluís y Josep Badia i Miarnau; los azulejos de Pujol & Baucis (Esplugas de Llobregat); la vidriería de Sebastià Ribó; y la carpintería de Casas & Bardés.9 Más tarde algunas puertas del primer piso tuvieron que cambiarse, tarea encomendada al ebanista Juan Martínez Gómez, que realizó unas reproducciones siguiendo el modelo original.
El proyecto de Gaudí sufrió varias modificaciones desde su concepción hasta su realización final, debido a la continua búsqueda de las mejores soluciones estructurales por parte del arquitecto. En el primer esbozo, realizado en lápiz plomo sobre papel canson y que fue hallado en 1969 en la Escuela de Arquitectura de Barcelona, mostraba una primera intención de coronar el edificio con una sinuosa cúpula de forma irregular, que finalmente se transformó en una bóveda con forma de dragón, que es el principal sello distintivo del edificio. Asimismo, la torre con la cruz de cuatro brazos que remata la azotea estaba prevista en la parte izquierda del terrado, pero Gaudí la trasladó hacia el centro para que no interfiriese con el remate escalonado de la adyacente Casa Amatller, mostrando un gran respeto por la labor de su colega Puig i Cadafalch.
El proceso administrativo del edificio fue complejo: en mayo de 1904 el señor Batlló presentó al Ayuntamiento el proyecto de la obra, firmado por Gaudí, en el que solo se preveía construir un sótano y reformar los bajos del edificio; en noviembre del mismo año se presentó otro proyecto —sin haber sido aprobado el anterior— que planeaba la construcción del sótano, la remodelación del piso principal, la adición de un nuevo piso en el terrado y la reforma de toda la fachada. Las obras se iniciaron antes de conseguir los permisos municipales, y el 26 de enero de 1906 un inspector denunció la presencia de unas obras ilegales. Sin embargo, pese a la denuncia y la orden de finalizar las obras, estas continuaron, y el 30 de abril de 1906 el señor Batlló pidió una licencia para alquilar los pisos, toda vez que las obras se daban por finalizadas. Hasta 1912 no se resolvieron los arbitrios municipales, y finalmente la licencia se otorgó el 17 de diciembre de 1912.
El edificio fue presentado al Concurso anual de edificios artísticos del Ayuntamiento de Barcelona, donde compitió con edificios como la Casa Bonaventura Ferrer de Pere Falqués, la Casa Antònia Puget de Roc Cot i Cot y Ramon Viñolas i Llosas, la Casa Llorens de Josep Pérez Terraza (que se llevó un diploma), y el Colegio Condal de Bonaventura Bassegoda i Amigó, que fue el ganador.
El edificio de Gaudí no fue justamente valorado porque en esa edición el jurado no quería nada relacionado con el modernismo.
La Casa Batlló pasó en 1940 en herencia a las hijas del matrimonio Batlló-Godó (Carmen y Mercedes), las cuales la vendieron en 1954 a Seguros Iberia, que instaló allí sus oficinas comerciales. En 1984 se instaló la iluminación eléctrica de la fachada, inaugurada en las Fiestas de la Mercè de ese año.
En 1993 fue adquirida por la familia Bernat, propietarios de la compañía Chupa Chups, que la restauraron y la abrieron comercialmente al público, siendo en la actualidad un punto de visita casi obligatorio para cualquier turista.
La Casa Batlló fue declarada Monumento Histórico-Artístico de Carácter Nacional en 1969, y desde el año 2005 forma parte del Patrimonio de la Humanidad de la UNESCO, dentro del Lugar «Obras de Antoni Gaudí».
