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Le Tribunal fédéral a été fondé par la Constitution fédérale du 12 septembre 1848, qui a transformé l’ancienne confédération d’États en un État fédéral à la fin de la guerre du Sonderbund. Sa tâche était «l’administration de la justice dans la mesure où elle entrait dans le domaine de compétence de la Confédération». Les compétences du Tribunal fédéral de l’époque étaient cependant limitées. Il statuait avant tout sur les litiges civils entre les cantons et avec la Confédération, les infractions politiques contre la Confédération, ainsi que les violations des droits fondamentaux garantis par la nouvelle Constitution, lorsque de telles plaintes lui étaient transmises par l’Assemblée fédérale. Il se composait de onze juges non permanents et se réunissait selon les besoins dans la capitale fédérale ou, lorsque les affaires à traiter l’exigeaient, dans un autre lieu choisi par le président.
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En 1875, le Tribunal fédéral devint un tribunal permanent. Ce changement était dû aux nouvelles compétences qui lui avaient été conférées par la Constitution fédérale du 29 mai 1874. Il pouvait trancher d’une part les conflits de compétence entre les autorités fédérales et cantonales ainsi que les litiges de droit public entre les cantons, et d’autre part les recours de citoyens contre des décisions d’autorités cantonales en raison d’une violation de droits constitutionnels, ou d’une violation de concordats, de traités internationaux et du droit fédéral. Il devenait ainsi une véritable cour suprême de la Confédération chargée de garantir les libertés et droits fondamentaux du citoyen ainsi que l’application uniforme du droit fédéral. Dans les décennies qui ont suivi, les tâches du Tribunal fédéral n’ont cessé d’augmenter en raison de nouvelles compétences législatives de la Confédération.
En 1875, le Tribunal fédéral comptait neuf juges ordinaires, auxquels toute autre activité professionnelle était interdite, ainsi que deux greffiers. Par la suite, le nombre de juges et greffiers a dû être régulièrement adapté à la charge croissante du Tribunal fédéral. Il a en outre été nécessaire de former différentes cours au sein du Tribunal fédéral, dès lors que le nombre de recours ne permettait plus aux juges de statuer sur l’ensemble des affaires en séance plénière.
Le siège du Tribunal fédéral permanent a été établi à Lausanne. Le tribunal a d’abord emménagé au Casino de Derrière-Bourg, un bâtiment aujourd’hui disparu à proximité de la place Saint-François. Par la suite, il a occupé pendant quarante ans le palais de Montbenon, érigé spécialement pour le Tribunal fédéral. Depuis 1926, il est installé au palais de Mon-Repos, construit dans le parc du même nom. -
La Constitution fédérale du 18 avril 1999 a confirmé et renforcé le rôle du Tribunal fédé ral. Elle précise qu’il est l’autorité judiciaire suprême de la Confédération en matière civile, pénale, administrative et constitutionnelle, qu’il s’administre lui-même en étant indépendant et uniquement soumis à la loi. Il exerce la surveillance administrative sur les autres autorités judiciaires de la Confédération.
En 2007, l’ancien Tribunal fédéral des assurances, créé en 1917 avec siège à Lucerne, a été intégré au Tribunal fédéral. Depuis lors, ses tâches sont assumées par la troisième Cour de droit public et la quatrième Cour de droit public (jusqu’à fin 2022: les «cours de droit social») du Tribunal fédéral. Celles-ci sont restées à Lucerne où elles occupent l’ancien bâtiment administratif du chemin de fer du Gothard, au bord du lac des Quatre-Cantons.En 2023, le Tribunal fédéral est doté d'une deuxième cour pénale. Il compte alors huit cours.