Toomemäel asus eestlaste varaseim linnus, Tarbatu, mille vallutasid ristisõdijad 13. sajandil. Misjärel ehitati Toomele piiskopilinnus ja veidi hiljem alustati Tartu Toomkiriku ehitamisega. Kuigi piiskopilinnus hävitati lõplikult juba Põhjasõja ajal, kõrguvad kiriku varemed Toomel tänaseni. Kuni 16. sajandini oli see Ida-Euroopa suurim kirikuhoone ja tellisehitis. Peale Põhjasõda tasandati Toome bastionid. Osa müürikividest kasutati ära majade ehitusel, osa müürijäänuseid aga kaeti pinnasega. Seega pärineb Toomemäe huvitav põhireljeef põhiliselt 18. sajandist. Sõdades ja tulekahjudes oma senise tähtsuse minetanud Toomemägi oli 18. sajandi lõpus peamiselt kasutuses linnakarjamaana.  

Kui XIX sajandi alguses ülikool lõpuks taasavati, andis keiser Aleksander I Toomemäe ülikooli valdusse ning sinna rajati park ja ülikooli hooned. Esimesena valmis anatoomikumi rotund, peatselt ka ülikooli peahoone, samuti tähetorn. Keskaegse võimsa toomkiriku varemetesse rajati ülikooli raamatukogu.  Parki rajati romantiline kividest küngas – Musumägi – ning haljastati endine liivakarjäär - Kassitoome. Toomemäel asub ohtralt skulptuure (K. E. von Baer, N. Pirogov, Fr. R. Faehlmann, Fr. G. W. Struve, K. J. Peterson jt) ning arhitektuurilise väärtusega hooneid: endine Toomkirik (praegune TÜ Ajaloo Muuseum), Tähetorn, Vana Anatoomikum, Riigikohus, Ingli- ja Kuradisild.