Im Zuge der umfangreichen Barockisierung der Schlossanlage entstand der Marstall in den Jahren 1729 bis 1732/33. Die Bauleitung übertrug der Fürstbischof Clemens-August von Bayern, der damals das Hochstift Paderborn regierte, dem Hof- und Landbaumeister Franz Christoph Nagel. 

Der in Nordwestdeutschland in seiner Art und Größe einmalige Bau bot im Erdgeschoss Platz für über 100 Pferde. Der Mittelbau und die beiden angrenzenden Viertelbögen dienten als Wagenremisen. Im Obergeschoss des nördlichen Flügelgebäudes wohnten neben anderen der Baumeister Nagel und der Hofgärtner Hatzel. 

Nach der Errichtung der preußischen Garnison in Neuhaus diente der Marstall von 1820 bis 1945 als Kavalleriegebäude. Von 1945 bis 1990 nutzten britische Militäreinheiten den Marstall. Die Stadt Paderborn erwarb 1991 das Gebäude und führte eine umfangreiche Restaurierung durch. Einige Bereiche werden seitdem von der Realschule Schloß Neuhaus genutzt. Zeitweise waren auch VHS-Räume und ein Restaurant/Café im Marstall untergebracht. 

Im Rahmen der Landesgartenschau 1994 wurden im Marstall das Historische Museum und das Naturkundemuseum eingerichtet. Im Dezember 2002 wurden die Museen im Marstall durch die Glas- und Keramiksammlung Nachtmann erweitert.

Ende 2014 wurde der Bereich des Historischen Museums geschlossen. Die entsprechenden Themen werden  demnächst im Residenzmuseum im Schloss gezeigt. In den frei gewordenen Räumlichkeiten wird seit dem 29.06.2016 das Kunstmuseum präsentiert (zeitgenössische Kunst; www.paderborn.de/kunstmuseum ).