Столовая открывает анфиладу личных покоев, предназначенных для жизни будущего императора Павла I и его супруги Натальи Алексеевны, созданных на месте «висячих садов» архитектора Б. Ф. Растрелли. Итальянский барочный архитектор создал огромную и абсолютно непрактичную террасу под открытым небом с цветными клумбами, фруктовыми деревьями и каменными скамьями вместо мебели. Торец дворцовой церкви служил одной из стен. Терраса находилась под открытым небом и являлась источником сырости во дворце. Поэтому в 1773 году по указу Екатерины II архитектор В. И. Неелов превратил террасу в «Покой их Высочеств».
Для отделки большинства интерьеров Екатерининского дворца летом 1779 года Екатериной из Лондона был приглашен перспективный архитектор Чарльз Камерон, 25 октября 1779 года он приступил к разработке архитектурных планов.
В 1820 году камероновские залы сильно пострадали от пожара, по неизвестным причинам возникшего в дворцовой церкви. Учрежденная Императором комиссия во главе с В. П. Стасовым реставрировала сгоревшие дворцовые покои на основе чертежей Камерона и сохранившихся фрагментов отделки. Некоторые планы и рисунки были найдены и приобретены специально для этих работ. «Лепной зале» вернули первоначальный облик — близкий к сегодняшнему. Лепщик Заколупин реконструировал барельефы. В 1855 году по указу Николая I в Зеленую столовую «вернулась» плафонная живопись. Проект А. И. Штакеншнейдера просуществовал как часть интерьера недолго: в 1863 году дворцовые помещения снова горели. На этот раз реставрационными работами руководил А. Ф. Видов — на тот момент старший дворцовый архитектор царскосельского ведомства. При нём столовой вернули архитектурно-художественное убранство времен Ч. Камерона.
Великая Отечественная война «внесла свои коррективы» в облик Екатерининского дворца. В 1944 году он стоял разрушен и разграблен, и камероновские залы не были исключением. Однако их чудом миновали пожары, благодаря чему сохранились отдельные элементы декора. Поэтому в 1957 году — после официального решения о возрождении Екатерининского дворца и присвоения ему статуса музея — реставрацию начали именно с камероновских залов. Работы по возрождению дворцового убранства, которые велись всенародно еще с военного времени, были подытожены проектом архитектора А. А. Кедринского. И в 1959 году Екатерининский дворец был открыт для посещения.
Современный облик Зелёной столовой создан в соответствии с архитектурными планами Ч. Камерона и Мартоса, которые сейчас хранятся в музее. Кое-где помогли «подсказки»: например, двери столовой расписаны на основе рисунка одной из сохранившихся створок. С 1957 года внешний вид столовой не менялся. Позднее убранство было дополнено незначительными деталями: бронзовой каминной решёткой, дворцовыми стульями и столовыми приборами с вензелями владельцев.