Die Altenburg galt zunächst als Zufluchtsort für die Bamberger Bürger und diente wohl der Sicherung des Regnitztales. Aus dieser Zeit existieren jedoch keine vollständigen Aufzeichnungen, die weder das genaue Ausmaß noch das Aussehen der einzelnen Burggebäude aufzeigen können. Von 1305 bis ins Jahr 1553 übernahmen die Fürstbischöfe von Bamberg das Anwesen und nutzten es als reich mit Kunstschätzen ausgestattete bischöfliche Residenz.
Hin zum heutigen Erscheinungsbild wandelte sich die Burg erst im Laufe des 15. Jahrhunderts. Zwar konnte sie im Bauernkrieg bestehen, fiel dann aber dem Markgrafenkrieg von 1553 zum Opfer. Dabei wurde sie nicht erobert, sondern an den Markgrafen Albrecht Alcibiades übergeben, der die Burg niederbrennen ließ. 150 Jahre lang wurde die Altenburg dann als Gefängnis der Stadt Bamberg genutzt und zerfiel zusehends.
Erst unter der Führung der Fürstbischöfe von Schönborn wurde zu Beginn des 18. Jahrhunderts mit ersten Wiederaufbauversuchen nach Plänen von Johann Dientzenhofer begonnen. 1801 kaufte schließlich der Bamberger Arzt Adalbert Friedrich Marcus die weiterhin vom Verfall bedrohte Altenburg und nahm sich ihrer an. In dieser Zeit ließ Adalbert Friedrich Marcus seinem Freund E.T.A. Hoffmann eine Unterkunft in den Räumen der Burg einrichten. Dieser schätzte die mittelalterliche Atmosphäre der Befestigungsanlage so sehr, dass er sie zunehmend auch als Inspiration seiner Werke betrachtete.
Nach dem Tod von Adalbert Friedrich Marcus 1816, dessen Grabmal sich am Fuß der Altenburg befindet und dort heute noch betrachtet werden kann, gründete Anton von Grafenstein 1818 den Altenburgverein. Dieser Verein ist der erste zum Erhalt eines Denkmals in Bayern und setzt sich seit der Gründung für den Erhalt und der Sanierung der Altenburg ein. Erst durch jahrzehntelange Sammlung von Spenden wurde es möglich, mit dem lange geplanten Neubau des Gaststättengebäudes, der Kapelle und des Hauptgebäude im historischen Stil zu beginnen. Letzteres wurde im Jahr 1902 fertig gestellt und bildet heute zusammen mit dem Bergfried das Herzstück der Burganlage.
Die Altenburg wird heute als die Herrschafts- und Zufluchtsburg von Bamberg angesehen und steht auf dem höchsten der sieben Hügel, auf einer Höhe von 386 Metern über dem Meer. Es wird vermutet, dass, wie die erste Ansiedlung in Bamberg, das Castrum Babenberg auf dem Domberg, auch die Burganlage zur Sicherung des Regnitztales dienen sollte. Dieses war im Hochmittelalter von großer Bedeutung, denn es stellte die Verbindung zwischen den beiden Königspfalzen Hallstadt und Forchheim dar.
Über die befestige Brücke des Burggrabens und den Durchgang des Torhauses gelangt man in den Innenhof der Burg. Hier stößt man unmittelbar auf den imposanten Bergfried, der von Besuchern erklommen werden kann und einen atemberaubenden Ausblick über die Stadt und das Bamberger Umland bietet. Er steht unverbunden mit dem Rest der Burg und ist, im 13. Jahrhundert errichtet, neben Teilen der Wehranlage der älteste noch erhaltene Teil der Burg.
Auf der linken Seite befindet sich an der Stelle des ursprünglichen Wohngebäudes der Fürstbischöfe das 1902 errichtete Palais mit dem alten Rittersaal. Hier können die Besucher ein altes Gemälde bewundern, das ein Ritterturnier darstellt. Darauf ist auch der damalige Bürgermeister Josef Valentin Herd zu erkennen. Faszinierend sind ebenfalls die teilweise noch erhaltenen Kellergewölbe, sowie die gut erhaltene Mauer mit Wehrgang auf der Ostseite der Burg.
Im Torhaus der Burg befindet sich das Restaurant Altenburg, das zu einem leckeren Essen in mittelalterlicher Atmosphäre einlädt und Besucher nach einem anstrengenden Aufstieg mit Speisen und Getränken versorgt.
Bis 1982 beheimatete die Altenburg den letzten Burgbären Deutschlands. Dieser lebte in einem Zwinger innerhalb der Wehranlage. Noch heute erinnern sich viele Bamberger gerne an den letzten der Burgbären Poldi zurück. Heute ziert den Zwinger ein ausgestopfter Bär, um an die Tradition der Burgbären zu erinnern.