Beim heutigen Lutherhaus, das nach der früheren Eigentümerfamilie Cotta ursprünglich als Cottasches Haus bezeichnet wurde, handelt es sich um ein mehrfach erweitertes und umgebautes Fachwerkhaus, dessen älteste Teile aus den Jahren 1269 bzw. 1356 stammen. Diese Datierung einzelner Holzbalken macht das Gebäude zu einem von Thüringens ältesten erhaltenen Fachwerkhäusern.

Dass Eisenach heute ein eigenes Lutherhaus hat, geht vor allem auf den Umstand zurück, dass Margarethe Luder der Eisenacher Familie Lindemann entstammte und ihr Sohn Martin (er änderte seinen Nachnamen später in Luther) der hier lebenden Verwandtschaft mütterlicherseits sehr nahestand. Das dürfte sicher ein wichtiger Grund dafür gewesen sein, dass er von 1498 bis 1501 auf die hiesige Lateinschule St. Georgen geschickt wurde, für die Eisenach seinerzeit überregional bekannt war.

Während seiner Schulzeit lebte Luther zunächst bei seiner Verwandtschaft, wurde jedoch bald von Ursula Cotta in das heutige Lutherhaus aufgenommen. Die Cottas waren eine wohlhabende Familie, der mehrere Häuser in Eisenach gehörten, weshalb an der früheren Sonne in der Georgenstraße eine Tafel daran erinnert, dass Luther womöglich auch in diesem Haus gewohnt haben könnte.

In den späteren Jahrhunderten diente das Lutherhaus unter anderem als Brauhof, was noch heute am erhalten gebliebenen Torbogen in der Nordfassade erkennbar ist. Ab dem 19. Jahrhundert wurde man sich der Geschichte des Hauses bewusst und mit dem Lutherkeller von Adolf Lukaß 1898 auch eine Gastronomie im Haus eröffnet, die bis 1953 bestand. Gegen Aufpreis konnte man dort die mutmaßlichen Lutherstuben besichtigen.

Im Zweiten Weltkrieg erlitt das Gebäude schwere Schäden an seiner Nord- bzw. Hauptfassade als in der Nacht vom 23. zum 24. November 1944 fast die gesamte Bebauung des Lutherplatzes durch britische Bombenangriffe schwer zerstört wurde. Die zuvor noch urig-schiefe Fassade mit ihren krummen Balken wurde bis 1950 in geraden Formen und etwas vereinfacht rekonstruiert. Außerdem wurde das bis dato verputzte Fachwerk des Gebäudes komplett freigelegt.

Die einst romantische Häuserzeile rechts neben dem Lutherhaus fiel den Bomben dabei genauso zum Opfer wie auch die Bebauung entlang der Lutherstraße, wo sich im Kurvenbereich das 1878 eröffnete Gasthaus Zur Guten Quelle befand. Entlang der Lutherstraße wurden die zerstörten Gebäude in den 1950er Jahren durch neue Wohnbebauung ersetzt, während die Lücke rechts des Lutherhauses noch bis 2015 bestehen blieb.

Nachdem die Familie Lukaß 1953 aus der DDR floh, wurde ihr Lokal Lutherkeller geschlossen und das Haus an die lutherisch-evangelische Kirche vermietet, die darin 1956 das heutige Museum eröffnete.

In Vorbereitung auf das 500. Reformationsjubiläum im Jahr 2017, erfuhr das Lutherhaus von 2014-15 eine umfassende Sanierung und Modernisierung. Im Zuge dessen wurde nach 71 Jahren auch die im Weltkrieg entstandene Lücke entlang des Lutherplatzes mit neuen Gebäuden geschlossen, in deren Erdgeschoss außerdem ein neuer Bereich für den Besucherservice und Museumsshop des Lutherhauses eingerichtet wurde.
Zwar kann man über den stilistischen Kontrast zwischen Lutherhaus und den Neubauten geteilter Meinung sein, jedoch wurde mit der Neubebauung nach vielen Jahren eine städtische Wunde geschlossen und für das Museum dringend benötigter Platz bzw. moderner Wohnraum geschaffen. Die feierliche Wiedereröffnung des Museums fand am 26. September 2015 mit einem Fest auf dem Lutherplatz statt, der im folgenden Jahr ebenfalls umgestaltet wurde.