Впервые двуглавый орёл в качестве государственного символа Русского государства встречается на оборотной стороне государственной печати Ивана III Васильевича в 1497 году, хотя изображения двуглавого орла (или птицы) встречались в древнерусском искусстве и на тверских монетах и раньше.

На Большой печати Ивана IV образца 1577 года вместо двух корон появилась одна с крестом над орлом. Во время правления Фёдора Ивановича две короны вернулись обратно, однако над головами орла был помещён православный крест (возможно, как символ самостоятельной Русской православной церкви). На малой печати Лжедмитрия (1604) орёл впервые был изображён под тремя коронами. Датой официального установления трёх корон на гербе можно считать 1625 год, когда при Михаиле Фёдоровиче на малой государственной печати между глав орла вместо креста появилась третья корона. Скипетр и держава отсутствовали до времени Михаила Фёдоровича, однако их добавление не считалось строго необходимым. В 1667 году они появились уже на государственной печати царя Алексея Михайловича. 4 июня 1667 года государь впервые дал официальное объяснение символики трёх корон — три царства: Казанское, Астраханское, Сибирское, а скипетр и держава должны были означать «Самодержавца и Обладателя». 

14 декабря 1667 года появился первый в истории Указ о гербе («О титуле царском и о государственной печати»), в нём приводилось описание царского герба. В 1672 году был составлен первый русский гербовник «Титулярник». Двуглавый орёл (без всадника на груди) в нём именовался гербом «Московским».

Цвет орла в допетровскую эпоху был в основном золотым, хотя использовался и чёрный. В период существования Российской империи двуглавый орел являлся ключевым элементом герба, являвшегося одним из самых сложных за всю историю государств мира. Окончательно сформировался в 1882 (Большой герб) и 1883 (Малый герб).

После февральской революции 1917 г. возникла необходимость смены официальной государственной эмблемы. Ее эскиз был разработан группой специалистов, в которую входили известные геральдисты и художники В.К. Лукомский, С.Н. Тройницкий, Г.И. Нарбут и И.Я. Билибин. Считая, что новую эмблему российского государства может утвердить только Учредительное собрание, они предложили использовать в качестве временной эмблемы двуглавого орла эпохи Ивана III без атрибутов царской власти. 

Рисунок эмблемы, исполненный И.Я. Билибиным, был утверждён председателем Временного правительства князем Г.Е. Львовым и министром иностранных дел П.Н. Милюковым, как образец для печати. Хотя официально эмблема так и не была утверждена, она имела хождение до принятия 10 июля 1918 года Конституции РСФСР, которой вводился герб нового государства. 

На территории, контролировавшейся белыми силами, эта эмблема использовалась и позднее — в частности, она присутствовала на банкнотах, выпускавшихся Уфимской Директорией. 

Герб послужил основой для одного из проектов герба Российской Федерации.