La création d'un tribunal doté du pouvoir judiciaire suprême au niveau fédéral ne pouvait intervenir avant la transformation de l'ancienne Confédération de cantons souverains en un Etat fédéral. Jusqu'en 1798, on ne connaissait que le droit confédéral, qui prévoyait, en cas de conflit entre les cantons, une procédure d'arbitrage. Sous la République helvétique, il n'existait pas non plus de tribunal fédéral, mais un Tribunal suprême, organe de l'Etat unitaire. A l'époque de la Médiation, on en revint à une procédure d'arbitrage pour régler les différends entre cantons. Le landamman de la Suisse pouvait désigner des médiateurs; s'ils échouaient, il appartenait à la Diète de trancher. Les concordats intercantonaux jouèrent aussi un rôle déterminant; ils contribuèrent, de 1815 à 1848, à la création d'un droit fédéral. Les troubles et les événements guerriers survenus entre 1830 et 1847 renforcèrent le besoin d'une réforme complète de la Confédération, que concrétisa la Constitution fédérale de 1848.
Celle-ci posa les bases de la juridiction fédérale (la loi d'organisation date de 1849). Un Tribunal fédéral fut instauré. Ses compétences, très restreintes, se limitaient à certains aspects du droit privé (civil) et du droit pénal: comme cour de justice civile, il connaissait, pour autant qu'ils ne relèvent pas du droit public, des différends entre cantons ou entre les cantons et la Confédération, ainsi que de certains types de plaintes de particuliers contre la Confédération. Tous les conflits de droit public restaient de la compétence des autorités politiques; le Tribunal fédéral ne pouvait s'en saisir que si le Conseil fédéral ou l'Assemblée fédérale les lui renvoyait. Ces deux autorités pouvaient casser des décisions judiciaires aussi bien que des actes des gouvernements cantonaux. En matière pénale, le Tribunal fédéral jugeait, assisté d'un jury (cour d'assises), des délits commis à l'encontre de la Confédération et de certaines autres infractions de nature politique (haute trahison, appel à la révolte ou actes de violence contre les autorités fédérales, infractions contre le droit international public). Relevaient aussi de la compétence des assises fédérales les fonctionnaires déférés à la justice pénale par l'autorité fédérale qui les avait nommés. Le Tribunal fédéral ne formait qu'une seule chambre, comprenant onze juges et onze suppléants, élus par l'Assemblée fédérale pour une période de trois ans. Le tribunal choisissait lui-même ses greffiers, ses fonctionnaires et ses juges d'instruction ordinaires (au nombre de deux) et extraordinaires (le cas échéant). Les juges n'étaient pas des professionnels. Ils pouvaient siéger simultanément à l'Assemblée fédérale, d'où était issue d'ailleurs la majorité d'entre eux. Il n'y avait incompatibilité que pour les membres du Conseil fédéral et les fonctionnaires nommés par celui-ci. Le Tribunal fédéral n'avait pas de siège fixe. Il se réunissait une fois par an en session ordinaire à Berne; son président déterminait les autres lieux de réunion. Le tribunal observait les principes de l'immédiateté et de la procédure orale. Les juges recevaient une indemnité.
Il fallut attendre la Constitution fédérale de 1874 et une nouvelle loi d'organisation judiciaire pour que le Tribunal fédéral devienne un tribunal permanent, conforme à une véritable séparation des pouvoirs. On fixa son effectif à neuf juges et neuf suppléants, élus par l'Assemblée fédérale pour une période de six ans. La première élection nécessita une vingtaine de tours de scrutin. Le président et le vice-président étaient élus pour deux ans. Les cas d'incompatibilité avec d'autres charges publiques furent élargis. Tout citoyen éligible au Conseil national pouvait être élu au Tribunal fédéral.
En guise de concession aux radicaux romands qui, conduits par Louis Ruchonnet, s'étaient opposés, en 1872, à la révision de la Constitution, on promit de faire de Lausanne le siège du Tribunal fédéral, que convoitaient aussi six autres villes. Dans les premières années, le tribunal ne disposa que d'une seule salle de travail. Entre 1881 et 1886, on édifia, sous la direction de l'architecte Benjamin Recordon, un premier édifice, situé à l'extérieur des anciennes murailles de la ville, sur l'esplanade de Montbenon (auj. siège du tribunal d'arrondissement de Lausanne). Cet ouvrage monumental, à la façade principale fortement articulée, de style néorenaissant français, utilise quinze sortes de pierres provenant de toute la Suisse. Il est décoré de nombreuses sculptures et peintures allégoriques.
Les compétences du nouveau Tribunal fédéral comptaient dorénavant aussi des causes de droit public: conflits de compétence entre la Confédération et les cantons, différends de droit public entre cantons, recours de droit public de citoyens s'estimant lésés dans leurs droits constitutionnels. Toutefois, les autorités politiques conservèrent, jusqu'à l'adoption de la loi d'organisation judiciaire de 1893 et l'entrée en vigueur du Code civil de 1912, le traitement des recours relatifs à toute une série de droits constitutionnels essentiels (liberté de conscience et de croyance, liberté des cultes, liberté du commerce et de l'industrie, liberté d'établissement). En matière de juridiction constitutionnelle, le Tribunal fédéral ne reçut que des compétences restreintes: les lois et les arrêtés de portée générale édictés par l'Assemblée fédérale de même que les traités internationaux échappaient à son contrôle. Grâce à l'introduction d'un recours de droit civil, précurseur de l'appel, le Tribunal fédéral put examiner aussi les décisions des tribunaux cantonaux de dernière instance. En principe, il n'était autorité de recours que pour l'application du droit fédéral; en d'autres termes, le droit cantonal ne pouvait être interprété qu'au strict point de vue de sa conformité au droit fédéral. Et il en est ainsi encore au début du XXIe s. On institua aussi la publicité des audiences. L'entrée en vigueur du Code des obligations (Droit des obligations), en 1883, élargit les compétences du Tribunal fédéral. La loi d'organisation judiciaire de 1893 introduisit l'appel comme voie de recours. En règle générale, le Tribunal fédéral ne pouvait et ne peut être saisi que si toutes les voies de recours cantonales sont épuisées. Le nombre des juges fut fixé à quatorze et le tribunal divisé en une chambre de droit civil et une autre de droit public. En 1896, le Tribunal fédéral se vit confier la surveillance en matière de droit des poursuites et faillites, ce qui entraîna la création de deux nouveaux postes de juge et la création d'une chambre spécialisée. En 1904, le nombre des juges passa de seize à dix-neuf. Le Code civil de 1912 fit du Tribunal fédéral l'autorité de recours pour toutes les affaires civiles, sous la réserve d'une valeur litigieuse minimale. Le nombre des juges fut augmenté à vingt-quatre et réparti en une cour de droit public et deux cours de droit civil, la première se consacrant principalement aux contestations relevant du domaine du Code des obligations et la seconde de celui du Code civil.
Un agrandissement s'avérant nécessaire, un concours d'architecture fut lancé en 1913. Construit entre 1922 et 1927 dans le parc Mon-Repos, le nouvel édifice, de style néoclassique, fut construit d'après les plans de Louis-Ernest Prince et Jean Béguin (auquel son fils Jacques succéda dès 1918) et avec la collaboration d'Alphonse Laverrière, qui représentait les intérêts de la Confédération. La loi fédérale de 1928 sur la juridiction administrative et disciplinaire (Droit administratif) transféra au Tribunal fédéral une partie de la juridiction fédérale en ces domaines. En 1942 entra en vigueur le Code pénal suisse. Une cour de cassation pénale fut créée, dont la tâche était de veiller à l'application uniforme du droit pénal fédéral.
En 2011, le Tribunal fédéral comprenait deux cours de droit public, deux cours de droit civil, la cour de droit pénal, ainsi que deux cours de droit social. Ces deux dernières ont leur siège à Lucerne; elles correspondent au Tribunal fédéral des assurances, créé en 1917 et intégré au Tribunal fédéral en 2007. Au total, on comptait en 2011 trente-huit juges, dix-neuf suppléants et 127 greffiers (contre neuf juges, neufs suppléants et deux greffiers en 1875). Pour le personnel administratif et de chancellerie, les postes ont passé de huit en 1875 à 155 en 2011. La première élection d'une femme comme juge suppléante date de 1972 et comme juge fédérale de 1974. En 2011, on dénombrait onze juges fédérales et cinq suppléantes. En 2010, le Tribunal fédéral a été saisi de 7367 nouvelles affaires, tandis qu'il en liquidait 7424. Sa base constitutionnelle se trouve aux articles 188 à 191 de la Constitution fédérale. En 2000, le peuple et les cantons ont accepté une réforme de la justice conférant à la Confédération la compétence d'unifier les procédures civile et pénale et garantissant une voie de droit judiciaire pour les actes étatiques (accès au juge). Il en résulta le Code de procédure civile de 2008 et le Code de procédure pénale de 2007 (entrés en vigueur en 2011). De plus, la réforme a créé deux autorités judiciaires fédérales de première instance, le Tribunal pénal fédéral (en fonction depuis 2004; siège à Bellinzone) et le Tribunal administratif fédéral (en fonction depuis 2007; siège provisoire à Berne et Zollikofen, puis définitif à Saint-Gall en 2012), qui déchargent la juridiction suprême de nombreuses affaires. Lors de la procédure parlementaire d'élimination des divergences, les Conseils renoncèrent à étendre aux lois fédérales le contrôle de conformité à la Constitution fédérale (juridiction constitutionnelle); ainsi et comme par le passé, les citoyens concernés peuvent invoquer devant le Tribunal fédéral une violation de leurs droits fondamentaux par une loi cantonale mais non par une loi fédérale.