Im Auftrag König Wilhelms I. von Württemberg (1781-1864) entstand ab 1822 auf dem nordöstlich vom Stadtzentrum gelegenen Gelände des sogenannten Kahlensteins eine Parkanlage. Die sich etwa 30 Meter über dem Neckar erhebende, terrassenförmige Anhöhe bietet einen weiten Ausblick in das landschaftlich reizvolle Neckartal. Schon Matthäus Merian hatte diesen Aussichtspunkt gewählt, um 1643 die Ansicht von Cannstatt zu skizzieren. Wilhelms Vater, König Friedrich I. (1754-1816), integrierte den südlichen Teil des Kahlensteins, auf dem sich heute ein Teil der Wilhema befindet, in die königlichen Anlagen. In seinen letzten Lebensjahren erwarb er weiteres Gelände aus Privatbesitz und ließ 1810 eine Allee vom Schlossgarten zur höchsten Stelle bauen, an der später Schloss Rosenstein errichtet wurde. König Wilhelm I. kaufte nach seinem Regierungsantritt 1816 weitere 500 Grundstücke, so dass die Gesamtfläche 105 Hektar umfasste.
Der Park wurde von Oberhofgärtner Johann Wilhelm Bosch im Stil eines englischen Landschaftsgartens gestaltet. Sein Konzept griff Ideen des englischen Architekten John Papworth auf. Dieser hatte 1819 mehrere Entwürfe nach Stuttgart geschickt. Der Park wird durch einen großen Rundweg erschlossen. Wiesenflächen sowie Solitärbäume und verstreute Baugruppen bildeten die wichtigsten Kompositionselemente. Da der König eine Abneigung gegen Koniferen und Birken hatte, wurden anfänglich nur einheimische Laubgehölze wie Linden, Ahorn, Ulmen, Buchen, Eichen und Pappeln gepflanzt. Hinzu kamen exotische Baumarten aus Nordamerika und Ostasien – beispielsweise die Schwarznuss, der gemeine Trompetenbaum, der Geweihbaum, die Gurkenmagnolie, der Blauglockenbaum, die Paulowine, der Japanische Schnurbaum sowie der Weiße Maulbeerbaum. Eine Gruppe von Mammutbäumen, die heute auf dem Wilhelmagelände stehen, wurden noch zu Lebzeiten Wilhelms 1863 aus Samen gezogen, aber erst 1866 angepflanzt. Größere Wasserflächen und Wasserläufe als charakteristische Bestandteile des Landschaftsgartens fehlen im Rosensteinpark. Der kleine Pumpsee wurde erst 1847 zur Wasserversorgung des Wilhelmaschlosses angelegt.
Erste Planungen für ein Landhaus an der exponierten Stelle oberhalb des Neckartales wurden ab 1817 von der russischen Zarentochter Königin Katharina von Württemberg beauftragt. Nachdem diese 1819 überraschend verstoben war, führte ihr Mann König Wilhelm das Projekt fort. Da die einkalkulierten Baugelder aus Russland durch den Tod Katharinas wegfielen, musste er den finanziellen Rahmen für den geplanten Sommersitz der königlichen Familie erheblich einschränken. An einem ausgelobten internationalen Architektenwettbewerb beteiligten sich der französische Architekt Pierre Fontaine, der Engländer John Papworth, Carlo Rossi aus St. Petersburg, der in Rom lebende deutsche Architekt Johann Michael Knapp sowie der württembergische Hofbaumeister Giovanni Salucci. Wilhelm entschied sich schließlich für einen Entwurf von Salucci, der bereits das Schlösschen Weil bei Esslingen und die Grabkapelle auf dem Rotenberg erbaut hatte. Mit den Terrassierungsarbeiten auf dem Gelände des Kahlensteins wurde 1822 begonnen. Zwischen 1824 und 1829 erfolgte der Bau des Landhauses, das Wilhelm zum Andenken an seine verstorbene Frau Katharina, deren Lieblingsblumen Rosen gewesen sein sollen, Rosenstein nannte. Die Einweihung des Gebäudes, dessen Gesamtkosten sich auf 500.000 Gulden beliefen, wurde 1830 festlich begangen.
Salucci gestaltete das im neoklassizistischen Stil erbaute Schloss Rosenstein nach dem Vorbild antiker römischer Villen. Der klar konturierte rechteckige Baukörper besteht aus fünf Flügeln, die zwei Innenhöfe einrahmen. Der höhere Mitteltrakt, in dem ein Vestibül sowie der Festsaal untergebracht waren, überragt die eingeschossigen Seitenflügel. Diese enthielten die Wohnräume des Königspaares auf der Ostseite und den Wohnbereich für die Töchter des Königs auf der Westseite. Im Halbgeschoss über dem Speisesaal befanden sich Räume für Kronprinz Karl. Sowohl die Haupteingänge in der Mitte als auch die seitlichen Nebeneingänge sind als antike Tempel mit ionischen Säulen gestaltet. Die allegorische Darstellung am Giebel des östlichen Hauptportals zeigt den Sonnenaufgang, während auf der Westseite die Nacht thematisiert wird. Die beiden Reliefs wurden von den Bildhauern Friedrich Distelbarth und Ludwig Mack d. J. ausgeführt. An den Giebelfeldern der Seitenportale sind Reliefs römischer Götter angebracht, die ebenso wie die Medaillons mit antiken Motiven am Gebälk von dem Bildhauer Theodor Wagner stammen. In den Nischen neben den Seitenportalen befinden sich Statuen der Musen, die ebenfalls von Wagner sowie von Johann Wilhelm Braun ausgeführt wurden. Sie waren bei der Einweihung des Gebäudes 1830 noch nicht vollendet und wurden ebenso wie die Löwen und die gusseisernen Kandelaber am Haupteingang erst um 1840 aufgestellt.
Das außen schlicht wirkende Landhaus besaß vor seiner Zerstörung im Zweiten Weltkrieg eine prächtige Innenausstattung. Besonders prunkvoll war der Festsaal in der Mitte des Gebäudes gestaltet. Der längsrechteckige Raum bildet eine dreischiffige Halle mit freistehenden ionischen Säulen und einem Tonnengewölbe. Auf dem umlaufenden Fries am Gebälk befanden sich passend zum Bildprogramm des Landschlosses Darstellungen der vier Jahreszeiten mit ländlichen Szenen, die von Conrad Weitbrecht ausgeführt wurden. Sie wurden beim Wiederaufbau als einziger figürlicher Bauschmuck des Saales rekonstruiert. Die ursprüngliche farbige Ausstattung mit Malereien wurde hingegen nicht wiederhergestellt. Sie bestand aus Ornamentmalereien an den Wänden nach Entwürfen von Salucci. Das Gewölbe und die Kuppel waren mit Deckenbildern von Anton Gegenbaur und Gottlob Gutekunst verziert. Kurz nach der Fertigstellung des Rosensteinschlosses traten erhebliche Schäden durch Baufehler auf. Da bei der Konstruktion des Fundaments nicht auf eine ausreichende Luftzirkulation geachtet worden war, nistete sich im Boden der Hausschwamm ein. Außerdem gab es Wasserschäden am Dach des Festsaales, weil die Durchmesser der Abflussrohre für die Dachrinnen nicht richtig berechnet worden waren. Deshalb musste das Gebäude ab 1839 zwei Jahre lang saniert werden.
Auf dem Gelände des Rosensteinparks entstanden als weitere Bauwerke ein Offiziengebäude (erbaut 1827), eine Meierei (erbaut 1833) sowie das Löwentor (erbaut 1858) mit den beiden Portiershäuschen (erbaut 1834). In der Meierei, die vorwiegend aus Stallungen und Scheunen bestand, züchtete König Wilhelm verschiedene Rinderrassen, darunter das sogenannte Rosensteiner Vieh, das allerdings nicht die erhoffte Qualität besaß. Ebenso wie das Offiziengebäude wurde die Meierei, in der bis 1943 Weidewirtschaft betrieben wurde, im Krieg zerstört und nicht wieder aufgebaut. Erhalten blieb nur das Löwentor mit den beiden Wachthäuschen an der Nordbahnhofstraße. Zum Rosensteinpark gehörte auch der zwischen 1844 und 1846 gebaute Eisenbahntunnel, der unter dem Schloss hindurchführt. Als Befürworter des wirtschaftlichen Fortschritts stellte König Wilhelm sein Privatgelände gerne für den Bau der Verbindungsstrecke zwischen Cannstatt und Stuttgart zur Verfügung. Ab 1837 entstand im nördlichen Bereich des Rosensteinparks ein weiteres Landhaus im maurischen Stil: die Wilhelma. Wilhelm bevorzuge dieses gegenüber dem älteren Rosensteinschloss, in dem er sich in späteren Jahren nur selten aufhielt. Kurz vor seinem Tod wählte er Schloss Rosenstein als Krankenlager und verstarb dort am 25. Juni 1864.
Wilhelms Nachfolger, König Karl (1823-1891), ließ 1865 den Rosengarten südöstlich vom Schloss anlegen und machte den Park ab 1877 öffentlich zugänglich. In den Räumen des Schlosses ließ er eine Gemälde- und Skulpturengalerie einrichten, die bis 1918 bestand. Nach dem Ersten Weltkrieg fand 1921 die sogenannte Weltkriegsbücherei des Ludwigsburger Unternehmers Richard Franck im Rosensteinschloss ihren Aufstellungsort. Ab 1933 wurde der linke Flügel zudem als Kriegsmuseum genutzt. Nach der Zerstörung bei einem Bombenangriff im September 1944 wurde das stark beschädigte Gebäude ab 1950 wieder aufgebaut. 1954 zog das vor dem Krieg in der Archivstraße untergebrachte Staatliche Museum für Naturkunde in das Schloss ein. Da sich nach einigen Jahren zeigte, dass die Räumlichkeiten zur Präsentation der umfangreichen Sammlung des Naturkundemuseums nicht ausreichten, wurde 1985 am Westrand des Rosensteinparks der Neubau des Museums am Löwentor errichtet. Zu Beginn der 1990er Jahre wurde das Schloss für die museale Nutzung umgebaut und dabei unter anderem die beiden Innenhöfe mit einer Glaskonstruktion überdacht.
Durch die Überbauung der Randbereiche im 20. Jahrhundert umfasst der Rosensteinpark mittlerweile nur noch 40% seiner ursprünglichen Ausdehnung. Trotz der Flächenreduktion ist er bis heute ein zentraler Erholungsraum für die Bewohner Stuttgarts und eine wichtige ökologische Nische für Tiere und Pflanzen in der Großstadt. Der Rosensteinpark ist Bestandteil des Grünen U, einer sich über acht Kilometer erstreckenden Park- und Gartenlandschaft, die sich vom Schlossgarten im Zentrum bis zum Killesberg und zur Villa Berg hinzieht.