El edificio se empezó a construir el 5 de agosto de 1900, fecha de la colocación de la primera piedra; en un acto solemne con numerosos invitados entre los que se puede destacar a Clarín.

Las obras se prolongaron durante veinte años, debido principalmente a problemas económicos, que las paralizaron en diversos momentos. En 1920 se inauguró bautizándolo con el nombre del ilustre escritor Armando Palacio Valdés, hijo adoptivo de la villa, quien acudió al evento, durante el cual le impusieron las insignias de la Gran Cruz de Alfonso XII. La obra inaugural fue la opereta El AS de Rafael Calleja Gómez, representada por la compañía del Teatro Reina Victoria de Madrid9​

El teatro permaneció abierto entre 1920 y 1972 representado todo tipo de obras: drama, comedia, lírica, varietés entre otras actividades, viviendo una época dorada.

Pero tras la Guerra Civil comenzó un declive de la actividad teatral donde un uso como sala cinematográfica tomaba mayor importancia. Su decadencia comenzó lentamente culminando en 1972 con su cierre. Desde ese año sufrió el abandono que lo dejó en un estado deplorable. Se creó la Plataforma Pro-Recuperación del teatro Palacio Valdés que consiguió juntar numerosas firmas para instar a la restauración del teatro, incluyendo la de personajes ilustres del mundo de la cultura. Hasta que siendo ya de titularidad municipal​ se consigue el objetivo y en 1987 comienzan las obras de restauración que durarían cinco años.

La re-inauguración se llevó a cabo el 14 de noviembre de 1992. Desde esa re-inauguración, el Palacio Valdés vuelve a adentrarse en una época dorada en la que sus diferentes ciclos y temporadas consiguen gran audiencia. Forma parte de la Red Española de Teatros, escenarios, Auditorios, Circuitos y Festivales de Titularidad Pública y se convierte en lugar de estreno de obras en su gira nacional,13​ siendo muy respetado por directores y actores.

Por el coliseo han pasado personalidades importantes a nivel nacional e internacional, no sólo en calidad de artistas o ponentes sino también como parte del público. En 1996 el entonces Príncipe Felipe en su paso por la ciudad acudió al coliseo.

Bajo la propuesta The Bridge project en la que varias entidades culturales internacionales tales como el BAM de Nueva York y el Old Vic Theatre de Londres que colaboraban en la creación y difusión de proyectos, se creó una colaboración con el Centro Niemeyer que llevaría a la representación en el Teatro Palacio Valdés de dos obras de William Shakespeare: La tempestad por la compañía de Sam Mendes ​y Ricardo III, interpretada por el actor estadounidense Kevin Spacey quien también visitó la ciudad en más de una ocasión.

De otra colaboración entre el Ayuntamiento de Avilés con el Centro Niemeyer, surgió un encuentro con el escritor Paulo Coelho en la celebración de los 20 años de una de sus novelas más famosas: El Alquimista, actos que se celebraron en el teatro.

Fruto de las colaboraciones entre las entidades culturales, surge EscenAviles como un ciclo de programación de espectáculos propio de la ciudad de Avilés.