12世紀中葉，真臘國王蘇耶跋摩二世定都吳哥。蘇耶跋摩二世信奉毗濕奴，為國王加冕的婆羅門主祭司:地婆訶羅（Divakara）為國王設計了這座國廟，供奉毗濕奴，名之為“毗濕奴神殿”。宋代趙汝適著諸蕃志記載，當時的國都名字“祿厄”。祿厄（Lokor）來自梵文nagara，即都城。

16世紀，此寺被稱為“Angkor Wat”；“Angkor”，來自nagara，Wat是高棉語中的“寺廟”，“ngkor Wat”即“寺廟都城”。元成宗鐵穆爾在元貞二年（1296年），派遣周達觀出使真臘。使團取海路從溫州開洋，經七洲洋（西沙群島海面）、占城、真蒲、查南、半路村、佛村（菩提薩州），橫渡淡洋（今洞里薩湖）至吳哥國登岸。周達觀和他的使團駐吳哥一年。回國后周達觀寫了關于真臘風土民情的報告《真臘風土記》。《真臘風土記》稱吳哥窟為“魯班墓”，又說國王死后，有塔埋葬，可見吳哥寺乃皇陵。

一些學者認為，吳哥窟是蘇耶跋摩二世的皇陵，根據有三： 一：與吳哥大多數其他寺廟朝東，面對朝陽不同，吳哥窟正門朝西，面向日暮；根據荷蘭考古學家博施（Bosch）的研究，印度和爪哇的殯葬風俗，墓地一律朝西，祭祀的寺廟則朝東。 二：畫廊浮雕反時針方向排列，是印度教葬禮時在墓地巡行的方向； 三：吳哥窟畫廊中蘇耶跋摩二世與毗濕奴神相貌相似，暗含日后升天成毗濕奴長駐毗濕奴神殿之意。

元代航海家汪大淵在1330年-1339年間曾游歷吳哥，他稱吳哥窟為“桑香佛舍”，這表明在十四世紀中葉，吳哥窟已經改為佛寺。汪大淵還報告吳哥窟有“裹金石橋四十余丈”，十分華麗，有“富貴真臘”之語。永樂元年（1403年），明成祖派遣尹綬出使真臘。尹綬從廣州出發從海道經占城，過淡水湖（今洞里薩湖）、菩提薩州、經吳哥窟抵達真臘。尹綬回國后將真臘國的山川、地理和吳哥都城所見，繪畫成圖上呈，明成祖大喜。 暹羅破真臘國都吳哥，真臘遷都金邊，次年，吳哥窟被高棉人遺棄，森林逐漸覆蓋漫無人煙的吳哥。

后來有些高棉人獵戶進入森林打獵，無意中發現宏偉的廟宇，也有一些當地的佛教徒在廟旁邊搭蓋屋寮居住，以便到廟宇中朝拜，但吳哥遺跡多不為世人所知。1586年，方濟各會修士和旅行家安東尼奧·達·馬格達連那（Antonio da Magdalena）游歷吳哥，并向葡萄牙歷史學家蒂歐格·都·科托報告其游歷吳哥的見聞：“城為方形，有四門有護城河環繞……建筑之獨特無以倫比，其超絕非凡，筆墨難以形容”。但達·馬格達連那的報告，被世人目為天外奇談，一笑置之。1857年，駐馬德望的法國傳教士夏爾·艾米爾·布意孚神父（Charles Emile Bouillevaux，1823年—1913年）著《1848-1856印度支那旅行記，安南與柬埔寨》，報告吳哥狀況，但未引人注意。

1861年1月，法國生物學家亨利·穆奧（Henri Mouhot）為尋找熱帶動物，無意中在原始森林中發現宏偉驚人的古廟遺跡，并著書《暹羅柬埔寨老撾諸王國旅行記》，大肆渲染，他說“此地廟宇之宏偉，遠勝古希臘、羅馬遺留給我們的一切，走出森森吳哥廟宇，重返人間，剎那間猶如從燦爛的文明墮入蠻荒”，這才使世人對吳哥刮目相看。法國攝影師艾米爾·基瑟爾（Emile Gsell）是世界上最早拍攝吳哥窟照片的攝影師。

1866年他發表的吳哥窟照片使人們可以目睹吳哥窟的雄偉風采。 1907年，暹羅將暹粒、馬德望等省份歸還柬埔寨。1908年起，法國遠東學院開始對包括吳哥窟在內的大批吳哥古跡進行為期數十年的精心細致的修復工程。吳哥窟的190米寬的護城河，如一道屏障，阻擋森林的圍困，因此吳哥窟比其他吳哥古跡，保存得最完整。但仍然雜樹叢生，有些樹根深植入部分建筑物的紅壤磚縫隙，逐漸將縫隙擴大，最后將紅壤磚推落，使建筑物坍塌。

修復工程包括幾個方面的工作：清除雜草、樹林、積土、白蟻，穩定地基，支撐搖搖欲墜的建筑物，然后運用考古學家在希臘雅典和印度尼西亞爪哇等地古跡重建工作中發展起來的分析重建術，運用在吳哥古跡的重建上。清理吳哥窟的工程在1911年完成。 30年代，開始用分析重建術復原吳哥窟。分析重建法要求必須用遺址的原來材料，按原來的古代的建造方法復原遺址，只有在原物無存的情況下才允許適當使用代替物。這項工作到了六十年代曾因柬埔寨政局動蕩而停頓，于1990年代重新展開。

吳哥寺在十四世紀中葉成為大乘佛教寺，因十三世紀時真臘國王阇耶跋摩七世奉大乘佛教為國教。十五世紀初葉暹羅入侵吳哥之后，因暹羅人信奉上座部小乘佛教，吳哥寺變為上座部佛寺。此后吳哥寺一直是上座部小乘佛寺，延續至今。