L'origine del Giardino Ducale Estense può esser fatta risalire all'epoca di Cesare d'Este, il primo duca del ramo di Modena che nel 1598, dopo la devoluzione di Ferrara allo Stato della Chiesa, trasferì la sua corte nella nuova capitale. Tra i lavori di adattamento del medievale castello e dell'area circostante, vi fu appunto la recinzione di un ampio spazio adiacente a nord della città, a uso della corte.

La trasformazione in giardino - luogo di stretta pertinenza del Palazzo Ducale, ove ambientare spettacoli, scenografie, apparati effimeri - fu realizzata negli anni successivi seguendo una tipologia frequente nel giardino rinascimentale, con aiuole progettate con disegno geometrico.

Sotto il ducato di Francesco I, attorno al 1632-34 sorse la Palazzina costruita su idee progettuali di Girolamo Rainaldi, architetto dei Farnese attivo anche per gli Este, e di Gaspare Vigarani, architetto ducale, scenografo e ingegnere idraulico e di fortificazioni. Spettano a questa fase costruttiva il corpo centrale, a due ordini di altezza, sormontato da lanternino con cupola e i due bracci laterali con timpano, dove l'aggiornato stile barocco s'innesta su radici tardomanieristiche; sulla metà del Settecento, sotto il governo di Francesco III si allungarono i bracci ai lati, aggiungendo le due ali progettate dall'architetto ducale Pietro Bezzi, con andamento lievemente arcuato nel gusto barocchetto, concluse da due piccoli padiglioni. L'edificio è utilizzato come sede espositiva dalla Galleria Civica per mostre d'arte contemporanea; molto suggestivo è il Salone centrale a doppia altezza, concluso da cupola dipinta nel 1869 dal decoratore e scenografo Ferdinando Manzini, che costituisce lo snodo dei percorsi interni ed è "passante" rispetto alla parte del parco retrostante, verso viale Caduti in Guerra.

Nel 1739 il parco fu reso pubblico da Francesco III, che nel 1758 destinò un suo settore a Orto Botanico per la coltivazione e lo studio delle piante medicinali, affidandolo nel 1772 alla giurisdizione dell'Università .

Dopo le modifiche ottocentesche, il parco si presenta come giardino "misto", e cioè con una zona ad aiuole di progettazione architettonica, "all'italiana", e con altre zone a boschetto, con influenze dalla cultura del giardino "all'inglese".

Nella stagione estiva il Giardino Ducale ospita eventi e manifestazioni pomeridiane e serali.

La Palazzina dei Giardini conclude scenograficamente la prospettiva settentrionale del corso Canalgrande, itinerario di rappresentanza della Modena ducale. Adiacenti al Giardino, sul lato orientale del corso, prospettano le seicentesche Scuderie ducali, ora dell'Accademia Militare, costruite su progetto di Bartolomeo Avanzini, architetto di Francesco I d'Este.