Tôn Thất Thuyết sinh ngày 29/3 năm Kỷ Hợi (12/5/1839) tại xóm Phú Mộng, xã Xuân Hòa, huyện Hương Trà (nay thuộc phường Kim Long – thành phố Huế) trong một gia đình có truyền thống binh nghiệp thuộc phòng 4 hệ 5 của dòng họ Nguyễn Phúc. Thân sinh là Đề đốc Tôn Thất Đính, thân mẫu là bà Văn Thị Thu.
Trong sự nghiệp của mình, ông được cử giữ nhiều chức vụ: Án sát tỉnh Hải Dương, Tán tương quân thứ Thái Nguyên rồi Tán lý quân thứ Sơn – Hưng – Tuyên, Tham tán, Hữu tham tri bộ Binh, Tuần phủ Sơn Tây, Tuần phủ, hộ lý Tổng đốc Ninh Thái kiêm Tổng đốc các việc quân Ninh, Thái, Lạng, Bằng, Hiệp đốc quân vụ đại thần, Thượng thư bộ Binh, Phụ chính đại thần, Điện tiền tướng quân, Thượng thư bộ Lễ, Thượng thư bộ Lại…
Ông luôn có chủ trương đánh Pháp, tháng 11/1873, quân của ông cùng quân của Lưu Vĩnh Phúc đánh bại quân Pháp ở Ô Cầu Giấy, Hà Nội, ông muốn thừa thắng tấn công địch nhưng triều đình muốn ông triệt binh về Sơn Tây, ông cự tuyệt, triều đình phải cử người đến bàn bạc ông mới chịu lui binh. Tháng 6/1874 khi được điều về Nghệ An đối phó với cuộc khởi nghĩa của Trần Tấn và Đặng Như Mai, song khi đến nhậm chức, ông tỏ ra thiện cảm và giúp đỡ phong trào Văn Thân Nghệ Tĩnh.
Sau khi Hàm Nghi lên ngôi, Tôn Thất Thuyết tích cực chuẩn bị cho việc đánh Pháp. Ông lập quân Phấn nghĩa và Đoàn kiệt, xây dựng căn cứ Tân Sở và hệ thống Sơn phòng, mua sắm tích trữ vũ khí, tăng cường phòng thủ kinh thành, khích lệ sỹ phu và văn thân và mở các cuộc đấu tranh không khoan nhượng với các phần tử chủ hòa, thân Pháp trong nội bộ Triều đình và Hoàng tộc.
Đêm ngày 4 rạng ngày 5 tháng 7 năm 1885, Tôn Thất Thuyết chủ động tổ chức tấn công quân Pháp đóng tại Tòa Khâm sứ, Trấn Bình Đài và khu nhượng địa. Cuộc tấn công thất bại, sáng ngày 5/7/1885, ông hộ giá vua Hàm Nghi rời bỏ kinh thành ra Quảng Trị rồi ra Hà Tĩnh phát động phong trào Cần Vương.
Đầu năm 1886, sau khi sắp xếp, ổn định bộ máy của Triều đình kháng chiến Hàm Nghi, ông ra Bắc vận động các sỹ phu, văn thân, tù trưởng các dân tộc thiểu số nổi lên đánh Pháp. Đầu năm 1887, sang Trung Quốc cầu viện nhà Thanh, song Triều đình Mãn Thanh theo yêu cầu của Pháp đã quản thúc ông tại Quảng Đông. Ông mất tại Thiều Châu ngày 22/9/1913.
Phủ thờ Tôn Thất Thuyết vốn là Phủ thờ của dòng họ, được Tôn Thất Thuyết cho xây dựng khoảng năm Tự Đức thứ 19 (1866). Sau ngày Tôn Thất Thuyết mất dòng họ lấy Phủ này làm nơi thờ ông.
Di tích Phủ thờ Tôn Thất Thuyết được nhà nước công nhận là di tích quốc gia ngày 19/10/1994 theo Quyết định số 2754/QĐ-BT.