Kadriorgin palatsin ja muotopuutarhan suunnittelu aloitettiin kesällä 1718 Venäjän keisarin Pietari I:n ja italialaisen arkkitehdin Nicola Michettin johdolla. Pietari I:n toiveesta puutarhaan pääsivät vierailemaan kaikki kiinnostuneet, joten keisarillinen puisto oli näin ollen alusta alkaen julkinen.
Palatsin ala- ja yläpuutarha suunniteltiin ankaraan ranskalaiseen tyyliin. Palatsilta merelle ulottuva puiston osa noudatti englantilaista tyyliä. Palatsin edessä oleva muotopuutarha oli olemassa hoitamattomana 1900-luvun alkuun asti, minkä vuoksi puisto ei ole säilyttänyt kokonaisuuttaan nykyisyyteen. Istutusten seurauksena syntyi pimeä puutarha, jossa muotopuutarhan olemus säilyi vain tieverkostona. Yläpuutarhaa on kunnostettu vuodesta 2000 alkaen ja askel askeleelta myös alapuutarhaa. Pinta-alaltaan puiston suurin osa on kuitenkin luonnonmukainen puisto. Siihen kuuluu tammilehtoja, joissa kasvaa palatsistakin vanhempia tammia, jossa siirtolohkareet on jätetty paikoilleen ja luotu kävelyteitä, jotta säilytettäisiin puiston luonnollinen ilme.
Vuonna 1937 perustettiin Joutsenlammesta etelään kansallisin motiivein kuvioidut 20 x 2 m kesäkukkaistutukset ja niiden väliin laitettiin aurinkokello. Samana vuonna suunniteltiin myös Apollon aukio, jossa on puiston vanhin veistos – Belvederen Apollo. Rakennettiin ulkokonserttiaukio soittolavalla, suihkulähteellä ja kivikkopuutarhalla, jossa nyt sijaitsee Roosimägi.
Puiston Kirden-lammen ympäristöön avattiin vuonna 2011 japanilainen puutarha. Vuonna 2016 tammilehtoon valmistuivat pitkospuut, jotka luovat mahdollisuuden tutustua luonnonmukaiseen suoalueeseen tarkemmin.
Pinta-alaltaan puiston suurin osa onkin luonnonmukainen puisto, johon kuuluu tammilehtoja, joissa kasvaa palatsistakin vanhempia tammia. Sinne on jätetty paikoilleen siirtolohkareet ja luotu kävelyteitä, jotta säilytettäisiin luonnollinen ilme. Nykyään Kadriorgin puistossa voidaan erottaa kaksi erilaista puistotilaa – muotopuutarha ja luonnonmukainen puisto.