Mury starej bożnicy były świadkiem wielu przełomowych wydarzeń w historii Polski: przed synagogą przemawiał Tadeusz Kościuszko, który wzywał ich do walki o wolność wspólnej ojczyzny. Wtedy wypowiedział m.in. te słowa: „niczego nie pragnę dla siebie, obchodzi mnie jeno opłakany stan ojczyzny i uszczęśliwienie wszystkich jej mieszkańców, do których i Żydów zalicza”. Odwiedził ją prezydent Ignacy Mościcki.  Jej historia sięga prawdopodobnie roku 1494, kiedy Żydów, obwinianych o wzniecenie pożaru, zmuszono za karę do przeprowadzki na Kazimierz. Kiedy spłonęła kilkadziesiąt lat później, opiekę nad jej odbudową sprawował Matteo Gucci z Florencji. Bożnica, mimo wzbogacenia się o salę kobiet i śpiewaków, zachowała gotycki charakter, choć już z elementami renesansowymi. Bożnica paliła się jeszcze kilka razy, ostatni pożar miał miejsce w 1773 roku. W 1786 i 1797 roku w synagodze rabin Izaak Lewita dwukrotnie wyklął krakowskich chasydów.

W 1888 roku zarząd krakowskiej gminy żydowskiej podjął decyzję o rozpoczęciu remontu oraz częściowej przebudowy synagogi. Plany architektoniczne zostały wykonane przez Jana Ertla.

W 1891 roku Jan Sas-Zubrzycki opracował projekt przebudowy elewacji zachodniej synagogi, w związku ze wcześniejszym wyburzeniem budynku kahalnego, który przylegał do korpusu budynku od strony zachodniej. Projekt Sas-Zubrzyckiego powstał w nawiązaniu do fasady budynku i zawierał charakterystyczne dla niej elementy architektoniczne. Wówczas powstał również niewielki ganek, który miał ułatwić dostęp do babińca znajdującego się na pierwszym piętrze zachodniej części synagogi.

W 1904 roku prowadzono dalej prace restauracyjne w synagodze według planów przygotowanych przez architekta Zygmunta Hendla. Zamierzał on uwypuklić attykę budynku, zaprojektował dwa portale babińca, portal głównego wejścia. Hendel opracował też projekt przebudowy elewacji zachodniej. Zaprojektował nową kamieniarkę okienną i drzwiową, gdzie zastosował formy o łukowym zamknięciu, ale także uszate obramienia. Do północnego krańca ściany wschodniej dostawił wieżyczkę. Zaprojektował również kute ogrodzenie.

W 1909 roku Ferdynand Liebling przygotował kosztorys prac. Miał one dotyczyć wymiany substancji murów oporowych, przebudowy dachu babińca, wykonania nowej konstrukcji więźby dachowej nad główną salą modlitewną, sporządzenie kamieniarki okiennej oraz osadzenia krat okiennych. Wobec braku funduszy prace wstrzymano na półtora roku.

W 1913 roku rozpoczęto kontynuację prac restauracyjno-budowlanych, które trwały do wybuchu I wojny światowej.

Od 1923 roku wznowiono prace. Zakresem działań objęto jedynie przebudowę części mieszczącej główne wejście - zostało ono podwyższone o drugie piętra, w którym urządzono niewielkie muzeum ze sprzętem synagogalnym i domowym.

W czasie II wojny światowej synagoga została zdewastowana i zniszczona, po remoncie w latach 50. XX wieku znów mogła zachwycać.

Dziś synagoga jest jednym z cenniejszych zabytków żydowskiej architektury sakralnej w Europie. Corocznie na placu przed synagogą (do czasów pandemii) odbywał się w ramach Festiwalu Kultury Żydowskiej sobotni koncert Szalom na Szerokiej. Obecnie Stara Synagoga stanowi oddział Muzeum Krakowa, w jej wnętrzu zgromadzono niezwykle bogate zbiory, w tym unikatowe zabytki historii i kultury żydowskiej (stała wystawa poświęcona jest dziejom i kulturze Żydów krakowskich).