隋末所立周公庙，相传到唐太宗贞观年间曾予以重修。据《资治通鉴》卷一八九《唐纪》载：武德四年（公元621年），李世民率兵入东都，毁则天门（即应天门）。因隋周公祠位于则天门东侧，想必在这次破坏中也难以幸免。而《资治通鉴》卷一九三《唐纪》七又载：贞观四年（公元630年），太宗李世民“以洛阳土中，朝贡道均，意欲便民，故使营之”。估计周公祠就在这一年又得到重修。至于唐玄宗开元年间重修情况，则见清《河南府志》所载贾口义撰文的《唐开元重修周公祠碑》。惜该碑已亡佚，无可稽考。

五代、宋、元时期的周公庙，尚无发现文献记载，其盛衰情况不详。

明代曾在旧址重建周公庙，并多次修葺。据《钦定四库全书》援引《河南通治》卷四八载：明嘉靖四年（公元1525年），在旧址重建周公庙。到明万历四十七年（公元1619年），又进行了重修。庙门口大路南侧，原有一通《明大司马赠太傅吕忠节公殉难处碑》，记载崇祯十四年（公元1641年），李自成率领农民起义军攻占洛阳，曾驻军周公庙。是年正月二十二日在庙前集会，当众处决了明朝退职兵部尚书吕维祺及福王朱常洵和河南府知府亢孟桧等。惜该碑也下落不明，唯留一龟趺座尚存庙内。清代顺治、康熙、乾隆、光绪年间，均曾对周公庙进行整葺重修。

顺治年间（公元1644年~1661年），重修经过相传无据，暂不可考。而康熙十三年（公元1674年），河南知府王来庆重修周公庙的情况则较为详细。

据乾隆十年修篡《洛阳县志》卷十五所录曹元仁撰《重修周公庙记》碑载：康熙十三年（公元1674年）河南知府王来庆，在府城西郭周公庙故址重修，“扩而新之，复捐置田七十五亩，以供祀之费”。又《河南府志》卷八十五所录佟凤彩撰《重修周公庙记》碑载：周公庙故址已成荆芜瓦砾，一片荒凉。王来庆遵循旧制重修，塑周公像，“□衣赤□”；召公、毕公、伯禽、君陈亦皆塑绘，严翼陪祠；两庑陪祀历代名宦。王来庆还在庙门两侧新建“文昌阁”、“彰善坊”，以示提倡文教、尔雅风俗。当时“僦民之力，故众不以为劳；蠲已之俸，故人不以为费”。可见重修周公庙颇合民意。

清《河南府志》所录王来庆撰文的《重修周公庙记》碑载：他初任河南知府时曾拜谒城西郭周公庙，见仅有一殿，且将圯毁，立志修葺，遂“启旧殿而新之，周公像□衣□裳，赤□几几，俨然如在，列金人欹器”。又遵明堂遗制，两庑配祀历代名宦十六人，“皆能绍述周公之制以治洛者，按祭法以劳定国，以死勤事，则祀之；能御大灾，捍大患，则祀之”。还兴建寝堂，颜曰“定鼎”，即定鼎堂。其内周公像居中，召公、毕公配左，伯禽、君陈像配右，并建有“戟门”、“角门”、“棂星门”，周垣五十余丈。王来庆称：“一木一石，一匠一夫，皆余设备，约费千金”。另捐俸银一百四十两余，输赋之外，全部用于供祭费用。

乾隆年间，周公庙已奠定今之规模，当时确是殿宇增辉，香火旺盛。据乾隆十年《洛阳县志》卷十五所录曹元仁撰《重修周公庙记》载：王来庆修复的周公庙，经过近七十年，“倾圮者且过半”。到乾隆六年（公元1741年），曹元仁来拜谒周公庙，始“有志于兴复”。当时由洛阳县知县昆陵人龚松林“任其事，图度久之，稽于故籍，具知王守所置祭田，始则硗确，今为膏腴，直可数倍于昔，因转售得千二百金，仍置祭田一顷三十九亩，外余金四百有奇。”其修复工程，从乾隆八年（公元1743年）夏开始，五个月完工。庙宇“望之翼然，即之焕然，庙貌加隆矣！又计田之所入，岁有余赀”，用以置备祭器、乐器、祭祀盛典如祀事孔明，欲以“垂之久远。”

康熙、乾隆年间重修周公庙的规模格局，依乾隆十年《洛阳县志》所绘俯瞰图（附1）可知分为四进庭院；中轴线主要建筑，从南向北依次为木构牌坊、检至门、戟门、元圣殿、定鼎堂、会忠祠等。两侧西为文昌阁，东为彰善坊；四进院内东西各有厢房数间；元圣殿两侧又各有一侧门，建筑分布严然有序，十分完整。

据乾隆十年龚松林修《洛阳县志》卷六《礼乐》记载：周公庙内祭祀设置相当齐备，元圣殿内祭祀元圣周公，左立磨兠坚，右设欹器；两厢祀汉河南太守吴公、召信臣、河南尹李膺、唐东都留守宋璟、洛州刺史狄仁杰、河南令韩愈、宋使相判河南府王曾、丞相判河南府寇准、潞国公判河南府文彦博、宰相判河南府范纯仁、西京留守推官欧阳修、判西京留守司马光、河南府推官苏辙、元河南经略使史天泽、明河南府知府张仲鸿、清河南府知府王来庆、洛阳县知县林洛如共十七人。定鼎堂内正中祀周公像，左边配祀召公、毕公，右边配祀伯禽、君陈。两庑按学宫遗规配祀先贤名宦。会忠祠原为前巡抚董国兴祠，雍正八年（公元1730年）知府张汉改立会忠祠，其内祭祀夏大夫关龙逢、殷少师比干、逸民伯夷、叔齐、周大夫苌弘、汉寿亭侯关羽、唐鲁郡公颜真卿、常山太守颜杲卿、睢阳太守许远、宋少保岳飞共十人，两庑配祀明分守河南道王孕长、太傅忠节公吕维祺等。

乾隆八年修复之后，据定鼎堂正脊枋板落款，五十五年（公元1790）朝议大夫护理河陕汝道知河南府事加二级张松孙、洛阳知县单可璂又进行重修。光绪十六年（公元1890年）特用道署理河南府事文焕、洛阳县知县事沈传义又再次重修，但修葺情况不详。

民国年间，也曾对周公庙进行了维修和扩建，从1916年（民国五年）河南省教育会副会长王炎青来洛筹办豫西师范学校，校址没在周公庙内。1920年（民国九年）直系军阀吴佩孚进驻洛阳，把周公庙至洛阳县城隍庙（今豫通街小学）一带辟为花园。民国二十一年（公元1932年）3月，民国政府迁洛，“考试院”设在周公庙。院长戴季陶为周公庙题写“定鼎堂“匾额，悬挂在定鼎堂南正门上方。是年11月国民政府迁回南京，返京前决定在周公庙设立中原社会教育馆，宋 任馆长。民国二十二年（1933年）据庙内现存《重修洛阳周公庙碑》记载又对周公庙进行了维修。民国三十二年（1943年），洛阳以宋庆龄之名设民众教育馆于周公庙。民国三十三年（1944年），洛阳被日寇侵占，周公庙同时遭到炮火袭击，国民党15军94师在周公庙与日军展开激战，后撤离周公庙，周公庙成为日军驻地。解放战争期间，又成为国民党青年军206师据点。民国三十七年（1948年）在解放洛阳战斗中，4纵10旅旅长周希汉率部与青年军在周公庙激战，并占领周公庙。

中华人民共和国建国后，周公庙为一些单位占用，洛阳市人民政府也曾拨专用款维修，基本得到了妥善保护。

1952年以前，周公庙为洛阳军分区驻地。1954年为河南省文物工作第二队接收进驻。1963年6月20日，被河南省人民政府公布为省级文物保护单位。直到1989年4月筹建洛阳都城博物馆后，文物部门才陆续接收管理周公庙。2006年5月25日被国务院公布为全国重点文物保护单位。