桃園神社係1935年（日昭和10年）擇定現址開始建造，由春田直信所設計，於1938年（日昭和13年）6月10日落成，並舉行鎮座式。社格定為縣社的桃園神社除了奉祀造化三神、日久親王外，也加祀掌管五股豐收的豐受大御神及明治天皇。戰後初期桃園神社改名為「新竹縣忠烈祠」（當時桃園仍未設縣），1950年才改為桃園縣忠烈祠，在小閣樓內置放鄭成功、劉永福、丘逢甲遺像，並在左右廂房設置反清、抗日烈士靈位。1972年台日斷交，政府發布〈清除臺灣日據時代表現日本帝國主義優越感之統治紀念遺跡要點〉，指示「日本神社應即徹底清除」，全台各地的大小神社在此法令之下大多被損毀，僅桃園神社被完整保留，也是目前日本境外唯一完整保留的神社建築。1985年時縣政府一度要將忠烈祠拆除重建，後經輿論及學界的強烈反彈，改為耗資新台幣886萬元整修，於1987年完成。1994年2月15日被內政部指定為國家三級古蹟。