Lukiškių kalėjimo pastatų kompleksas pastatytas 1901-1904 m., nugriovus toje pat vietoje nuo XIX a. I p. stovėjusį kalėjimą, kuris nebeatitiko to laikmečio technikos ir higienos reikalavimų. Per visą kalėjimo egzistavimo laikotarpį komplekso paskirtis nesikeitė, keitėsi tik pavadinimai. Pirmaisiais veikimo metais pastatų kompleksas vadintas Kalėjimo tvirtove (rus. "Тюремный замок"), vėliau pervadintas į Lietuvos SSR vidaus reikalų liaudies komisariato (NKVD) vidaus reikalų ministerijos (MVD) Vilniaus m. kalėjimu Nr. 1, nuo 1960 m. tapo Įstaiga OČ 12/36 (rus. "Учреждение OČ 12/36"). 1992 m. kompleksas pavadintas Vilniaus tardymo izoliatoriumi-kalėjimu, o nuo 2000 m. - Lukiškių tardymo izoliatoriumi-kalėjimu. Lukiškių kalėjimo pastatų komplekso projektą parengė architektas G. Trambickis, techninį projektą, sąmatą ir kalėjimo pastatų brėžinius - inžinierius K. Kelčevskis. Pagal projektą buvo statoma terminuoto laisvės atėmimo bausmės kalėjimas, skirtas 421 nuteistajam, tardymo kalėjimas - 278 suimtiesiems, administracinis pastatas su butais kalėjimo viršininkui, jo padėjėjams, prižiūrėtojams, virtuvės pastatas, kepykla, pirtis, skalbykla, ūkiniai pastatai, mūrinė siena, juosianti visus pastatus. Kalėjimas pradėjo veikti 1904 m. ir tuo metu buvo moderniausias kalėjimas visoje Rusijos imperijoje - turėjo atskirą vandentiekį, kanalizaciją, šildyto oro tiekimo sistemą.

1905 m. pastatyta pravoslavų Šv. Mikalojaus Stebukladario cerkvė, iš viso komplekso išsiskyrusi savo prašmatnumu - ją puošė paveikslai, kilimai, I. Trutniovo, I. Rybakovo, J. Balzukevičiais tapytos ikonos. Be cerkvės kalėjime veikė katalikų koplyčia bei žydų maldos namai. Lukiškių kalėjimo pastatų komplekse buvo kalinami kriminaliniai nusikaltėliai, politiniai kaliniai, iš tremties pabėgę asmenys.

1914 m. čia kalėjo rašytoja Julija Beniuševičiūtė-Žymantienė-Žemaitė (1845-1921); 1916 m. - Lietuvos Nepriklausomybės Akto signataras, teisininkas Jonas Vileišis (1872-1942); 1921 m. - rašytojas Rapolas Mackonis (1900-1982); 1927 m. - kunigas Pranas Bieliauskas (1883-1957); 1940-1941 m. - Izraelio ministras pirmininkas, Nobelio taikos premijos laureatas (1978) Menachemas Beginas (1913-1992); 1945 m. nukankintas mirė generolas leitenantas Pranas Liatukas (1876-1945); 1946 m. sušaudytas leitenantas Adolfas Eidimtas-Žybartas (1915-1946); 1956-1957 m. kalėjimo ligoninėje buvo gydomas LSSR KGB tardytojų suluošintas partizanų vadas, generolas Adolfas Ramanauskas-Vanagas (1918-1957); 1971-1972 m. kalėjo kunigas Juozas Zdebskis (1929-1986).