La première salle de spectacle est bâtie pour le marchand fripier Jean-Louis Guyot entre 1793 (achat du terrain au directeur des diligences Thomas Sébastien Royer le 23 août) et 1799 (autorisation accordée à Guyot le 29 novembre - 8 frimaire an 8 - de donner des bals dans l'établissement les jours pairs). Lorsqu'elle est achetée le 23 mai 1824, avec le reste de la propriété, par le négociant sénonais François Théodore Clément Lorne, elle se compose au sous-sol d'une cave voûtée et d'une "grande salle de danse planchéiée, entourée d'une galerie et ayant un orchestre", "cuisine à côté, fourneaux, pierre à évier, puits, four" sous la scène ; au rez-de-chaussée d' "une salle de spectacle garnie de ses bancs, banquettes, théâtre, coulisses, toile, décors, deux rangs de loges formant les premières et les secondes, orchestre et parterre", surmontée d'un "grand grenier à blé, trois pièces servant de loges pour habiller les acteurs". Le 20 janvier 1827, Lorne revend le site à la Ville qui, selon l'architecte municipal Varnout, "auroit bientôt à regretter la perte d'une salle de spectacle, à la vérité peu importante, tant par son peu d'étendue que par sa simplicité, mais suffisant, telle qu'elle est, aux goûts de ses habitants, et cette perte ne pourroit, de long-tems, être réparée par la Ville à qui ses ressources ne permettent pas de se jeter dans une construction neuve de ce genre. L'existence d'une salle de spectacle est, de nos jours, un besoin presque indispensable [...]"

Varnout dresse dès 1825 un projet de restauration de la salle, établi au plus juste (25 000 à 30 000 F) car "il y auroit trop à faire pour détruire tous les vices qu'elle présente". Il prévoit "de baisser le parterre de la quantité nécessaire pour trouver dans le reste de la hauteur de la salle deux rangs de loges ; les baignoires seroient supprimées et l'espace qu'elles occupent serviroit à agrandir le parterre". La scène serait agrandie, de même que les circulations ; "on développeroit la courbe à sa naissance pour que, de toutes les parties, on puisse également apercevoir le théâtre [la scène]. Il y auroit quatre loges de chaque côté, pouvant renfermer chacune six personnes, et l'intervalle entre les loges serviroit d'amphithéâtre". Deux escaliers desserviront les loges (balcons) et le foyer "qui occuperoit le dessus de l'entrée et du portique composé de trois entrecolonnements". Ce projet reste manifestement sans suite puisque Varnout en rédige un autre le 25 octobre 1832, d'un montant de 10 247 F, dans lequel il constate l'état de la salle : "Pour donner une idée du tableau qu'elle présente, il suffira de dire que ce qui reste de décoration du théâtre est tout en lambeaux ; que les banquettes sont ou brisées, ou découvertes, ou dans un tel état de malpropreté qu'on craint de s'y asseoir ; que les devantures des premières sont enfoncées, que les murs et boiseries indiquent à peine qu'ils ont été mis en couleur [...] La salle actuelle se compose de quatre loges d'avant-scène, d'un étage de loges formant les premières et d'un autre étage au-dessous servant aux secondes places." Il prévoit de conserver les planchers mais, faute de pente, de construire dessus des gradins et de remplacer "quatre énormes poteaux qui masquent la vue" par des colonnes en fonte creuse ; "les loges d'avant-scène seront rentrées et chacune d'elles sera coupée par une séparation à hauteur d'appui" ; il y aura huit loges par étage, quatre de chaque côté, avec amphithéâtre à l'arrière ; les couleurs sont précisées : jaune, brun, gris, vert, blanc, couleur du bois, etc. ; deux nouvelles issues seront réalisées et le chauffage sera assuré par un calorifère. Un deuxième devis, un peu moins élevé, est donné le 2 mai 1833. Les travaux sont adjugés le 5 juin 1833.

Nouveaux travaux en 1843, l'une des poutres menaçant de s'effondrer (ce qui, en 1837, avait déjà conduit à la fermeture du théâtre le temps de la consolider). Déplorant de dépenser encore de l'argent pour la salle mais sans perspective de construction d'un nouveau théâtre, l'architecte Jacques Athanase Tourneur écrit : "Dans mon opinion, il faut fermer le théâtre ou aviser aux moyens d'arrêter le mal dès à présent. Beaucoup de personnes ne veulent plus aller dans cette salle dans la crainte d'une catastrophe épouvantable et nos pauvres acteurs parlent très souvent dans le désert". Il propose d'encadrer le bâtiment par deux bas-côtés moins élevés, dotés de balcons et coiffés d'un toit en appentis masqué par un attique, destinés à accueillir au rez-de-chaussée les couloirs jusque-là intégrés à la salle et à l'étage à servir de corridors et foyers. Ce projet reste à l'état de dessins, contrairement aux autres modifications : démolition du plancher supporté par la charpente, renforcement des fermes et "confection d'une voûte elliptique sur un plan circulaire". "Cette dernière disposition offrira l'avantage immense de rendre commodes les loges de face où tous les spectateurs sont aveuglés par le lustre qui se trouve à hauteur de l'oeil, et atteignent le plafond avec leur tête". Les travaux sont exécutés par l'entrepreneur Silvain Biard. Un devis est aussi établi en 1844, qui prévoit la transformation en chambre d'une ancienne loge d'acteur, la réparation de trois chambres dans le comble pour servir de loges d'acteur, des modifications au dessous de scène (avec aménagement d'un bûcher) et la réparation de la couverture.

Il faudra encore une trentaine d'années pour que le souhait de Tourneur - la construction d'un nouveau théâtre - se concrétise et encore cette construction se fait elle en réutilisant une partie de l'existant. La rédaction du projet est confiée à l'architecte Horace Lefort (alors associé avec son beau-frère Bénoni Jean Marie Roblot), qui constate l'imperfection de l'établissement existant : "Ce théâtre est en effet très imparfait ; la scène en est petite, étroite, pourvue d'une machinerie incomplète ; les décors sont usés, quelques-uns sont en lambeaux. Les loges des artistes sont malsaines, les abords de la scène sont incommodes et trop étroits. La salle de spectacle est de dimensions fort petites, les couloirs sont à l'intérieur. Lorsque le nombre des spectateurs est supérieur à trois cents, les derniers arrivants sont obligés de rester debout dans ces couloirs, pressés les uns contre les autres, ne voyant rien, entendant à peine et respirant un air méphytique, faute d'une ventilation suffisante. Toute circulation devient impossible. Les quelques bonnes représentations que l'on y donne de loin en loin ont tout d'abord pour effet de dégoûter les spectateurs d'un plaisir ou d'un enseignement chèrement payé par de véritables supplices. Il n'y a pas de foyer pour le public. Par l'effet de cette installation défectueuse, le théâtre est peu fréquenté, aussi les bonnes troupes hésitent elles à s'arrêter dans cette ville qui perd en maintes circonstances le bénéfice de son admirable situation, sur une grande ligne de chemin de fer, tandis qu'elle semblerait devoir être la première étape des troupes parisiennes qui souvent se répandent en province pour y faire applaudir leur répertoire." Lefort prévoit en 1879 de réutiliser le théâtre existant (corps occidental) pour servir de scène et de lui adjoindre, en retour d'équerre à l'ouest, un nouveau bâtiment abritant un vestibule et une salle d'au moins 750 places. La surface passerait ainsi de 248,40 m2 à 568,75 m2. Du vestibule, les spectateurs pourront rejoindre le parterre par une porte placée dans l'axe, les baignoires et fauteuils d'orchestre par deux couloirs (à droite et à gauche de la salle) et les étages ("loges" et "fauteuils de balcon" au 1er, "secondes galeries" et "amphithéâtre" au 2e) par deux grands escaliers en pierre et deux petits reliant les étages entre eux. L'orchestre est prévu pour 10 à 12 musiciens. Il y aura un logement pour le concierge, surmonté de loges d'acteur ; un petit foyer à l'arrière de la scène ("foyer de réplique") ; une grande scène avec un plancher partiellement mobile ; un magasin de décors à côté d'elle ; une salle de répétition pour les sociétés de musique de la ville ; un foyer pour le public au-dessus du vestibule.

Les travaux sont validés par le conseil municipal le 29 mars 1879 et adjugés le 8 juillet 1880 à Adolphe Evrat, entrepreneur général pour ce chantier. La première pierre est posée le 20 octobre suivant. Un devis supplémentaire est rédigé le 26 mars 1881 pour, suivant l'avis du Conseil des Bâtiments civils, réaliser les façades entièrement en pierre de taille (et non en moellons avec moulures en plâtre) et modifier les petits escaliers afin qu'ils desservent tous les niveaux, favorisant l'évacuation en cas d'incendie ("perfectionnement auquel la malheureuse catastrophe de Nice est venue depuis ajouter la sanction d'une cruelle expérience" [l'incendie de ce théâtre le 23 mars 1881 a fait, suivant les sources, de 63 à plus d'une centaine de victimes]). Lefort argumente d'ailleurs sur l'utilité des balcons (trois en façade et un sur chaque mur latéral) : "agréables aux spectateurs qui peuvent y prendre l'air dans les entre-actes", ils peuvent, surtout, "faciliter dans une large mesure l'organisation des secours et le sauvetage des personnes" en cas d'incendie. Les travaux prennent du retard : ils devaient être achevés le 1er juillet 1881 mais le 2 décembre suivant, Evrat prend l'engagement de les finir pour le 1er mars 1882. Les mémoires conservés font état des artisans présents : Laurent pour la charpente, Brullé pour la couverture, Bonneau (de Pont-sur-Yonne) pour la menuiserie, Paganetti pour le chauffage (calorifère), Chartier pour la serrurerie (qui fournit les colonnes creuses destinées à soutenir les balcons), etc. La jonction entre la nouvelle salle et sa scène est compliquée, comme le reconnaît Lefort qui note "travail difficile". La sculpture extérieure est confiée le 25 février 1882 à Henri Marquet. La commission chargée du suivi de la construction s'étonne en avril-mai 1882 du changement de jauge : 577 places au lieu des 750 initialement prévues (un plan non daté mentionnera par la suite 465 places, soit 210 à l'orchestre - 52 fauteuils d'orchestre, 28 dans les stalles et 130 au parterre assis - et 40 dans les baignoires, 79 au 1er balcon, 110 au 2e balcon et 26 au 3e de face). Elle relève aussi l'exiguïté des loges : "La Commission décide de faire un changement dans les séparations des loges du côté des premières, attendu que dans la dernière loge en partant de la scène, deux personnes ne peuvent se placer à côté l'une de l'autre et les loges sont tellement mal disposées que les spectateurs qui seront au second rang ne pourront voir la scène et se trouveront privés de voir le jeu des acteurs." Une autre commission a été nommée par le conseil municipal le 14 septembre 1881 pour étudier l'aménagement intérieur du théâtre. Elle rend son rapport le 2 février 1882. "Vu l'importance des travaux à exécuter qui exigent des connaissances toutes spéciales", elle préconise de confier leur suivi à Augustin Vizentini, "ancien administrateur du théâtre de l'Opéra et des principaux théâtres de France", demeurant 27 rue du Faubourg Saint-Didier à Sens. Vizentini et Sarrazin, l'architecte de la ville, répartissent les travaux en trois lots : Décors scéniques - Décoration de la Salle - Machinerie, attribué à la société Diosse et Fils, rue d'Avignon et rue Grillet à Lyon ; Tapisserie, confié à Léon Lamy, tapissier à Sens (116 Grande Rue) ; Gaz, adjugé à Edouard Stanislas Michaut-Millon, également de Sens (9 rue du Plat d'Etain). L'inauguration a lieu le 16 juillet 1882, la réception définitive le 27 novembre 1885. Le coût total du théâtre est de 136 978 F, dont 98 318 F pour les travaux effectués par Evrat et 38 660 F pour les aménagements intérieurs. Le 31 décembre, la municipalité concède pour la période du 1er février 1883 au 31 janvier 1884 son exploitation au directeur de théâtre Charles Blandin, demeurant 69 rue de Seine à Paris. Celui-ci a l'obligation de donner "par an au moins 20 représentations théâtrales comprenant à peu près quinze comédies, six drames, trois tragédies, huit vaudevilles et opérettes, trois opéras comiques" ; par ailleurs, la Ville se garde un droit de regard sur le recrutement des acteurs et réserve au sous-préfet la loge d’avant-scène côté cour et au maire celle côté jardin.

Un plancher amovible est construit par le charpentier Pain, à la demande du comité de la fête de bienfaisance du 26 mars 1892 (un bal au profit des pauvres), afin de créer provisoirement une "magnifique salle de fête, qui fait défaut à Sens" ; le conseil municipal décide son rachat le 8 avril suivant. L'installation d'un rideau d'eau est étudiée le 31 mars 1900 à la suite du "récent incendie du Théâtre Français" (qui a fait, le 8 mars précédent, une morte à la Comédie française) ou plutôt de nouveau étudiée puisqu'il en avait été question après l'incendie de l'Opéra-Comique le 25 mai 1887 (84 morts). Le théâtre accueille des projections cinématographiques dès 1903, l'électricité étant fournie par une dynamo actionnée par une locomobile stationnée dans la cour. Ainsi pour les 30 novembre, 1er et 2 décembre 1904, les 31 mai, 1er, 2 et 3 juin 1905, les 29 et 30 juin et le 1er juillet 1907... L'éclairage électrique fait en 1912 l'objet d'une installation partielle par la SA Gaz et Eaux (il sera encore combiné avec un éclairage au gaz de houille dix ans plus tard) et les projections se multiplient au cours de la guerre (62 pour le premier semestre de 1915). La saison du 1er octobre 1919 au 30 septembre 1920 est dense, avec pas moins de 183 représentations. Toutefois, au bout de 40 ans d'existence, l'établissement nécessite des travaux de rénovation, dont l'architecte voyer Haudry établit le programme. En 1925, le logement du concierge, occupant l'entrée de l'ancien théâtre, est augmenté d'une cuisine, petit corps de bâtiment en rez-de-chaussée édifié dans la cour (et doté d'un étage en 1929). Un rideau en tôle ondulée fermant la scène est posé fin 1926 par Emile Brun (25 boulevard du Mail). Le chauffage central au charbon (avec une chaudière à vapeur à basse pression Ideal 2H80) est installé en 1927 par Louis Janny, ingénieur constructeur à Viroflay (21 avenue des Postes), en remplacement du calorifère : public et artistes se plaignaient depuis longtemps du froid, ainsi le directeur des tournées Baret déplorant "des bronchites, des grippes et autres maladies des voies respiratoires" ayant obligé sa troupe à faire relâche, "de là un déficit assez important dans notre caisse". Mêmes réclamations de l'Union des Artistes de Langue française dramatiques, lyriques et cinématographiques, qui pointe un autre problème : "Les pompiers sont nombreux sur le plateau, très bruyants et fument à qui mieux mieux !", et elle ajoute : "Il ne faut pas jouer avec le feu, même si l’on a mission de l’éteindre." Les loges d'acteur et les dégagements sont restaurés et 1928 voit la rénovation complète de la décoration de la salle par le peintre Georges Lods (17 rue Victor Guichard), salle dont les bancs du parterre avaient été remplacés en 1924 par "des fauteuils à bascule, du genre de ceux en usage dans les établissements cinématographiques" (125 fauteuils ou strapontins "du modèle classique avec sièges en bois perforé et dossiers cintrés") des Ets Pierre Postollec (66 rue de Bondy à Paris). La façade est restaurée en 1935, avec remplacement des pierres gelées. Au sortir de la guerre, l'avenir du théâtre est incertain. Le coût de sa remise en état est évalué à 10 000 000 F si bien que sa fermeture est envisagée. Pour éviter cela, le conseil municipal vote le 21 mai 1948 pour 1 950 000 F de travaux nécessaires à sa mise en sécurité, suivant le projet de l'architecte voyer Bouriette. Ainsi la chaudière est remplacée en 1949 par une chaudière à vapeur Ideal Classic HF480, mise en place par Jean Nadalon (23 rue Jossey), qui réalisera dans le deuxième semestre 1957 l'installation du chauffage central. Un rideau de scène métallique est posé cette même année 1949 par la SA Jacquemet et Mesmet (92-98 rue de la Convention à Paris) : c'est un rideau "allégé", en tôle ondulée, exceptionnellement autorisé car "le théâtre municipal de Sens n’est jamais utilisé comme salle de projection cinématographique". Toujours en 1949, la toiture du corps de bâtiment en fond de cour est refaite. En 1951, la Société française de Préservation contre l'Incendie (49 rue du Rocher à Paris) installe un "grand secours avec rideau d'eau". Les installations électriques sont reprises, etc.

Le théâtre souffre d'une désaffection progressive, concurrencé qu'il est en 1948 par quatre salles de cinéma : il y a 40 représentations en 1945 mais seulement 19 en 1955, 26 en 1958. Le 29 novembre 1963, le conseil municipal acte sa fermeture provisoire pour raisons de sécurité, mesure rapportée le 7 février 1964 après une rénovation minimale de l'éclairage. Dans une lettre au ministre des Affaires culturelles, le maire fait le point sur l'état du local et des installations : "l'aspect intérieur de la salle ainsi que ses installations n'offrent qu'un rapport assez lointain avec ce que le public serait en droit de trouver dans une salle de spectacle moderne et confortable. De nombreux sièges sont cassés ou pratiquement hors d'usage ; les peintures, les garnitures de velours offrent un aspect de décrépitude lamentable ; le plancher inférieur et celui des balcons est totalement usé ; le rideau de scène, les herses d'avant-scène sont anachroniques et l'avant-scène elle-même est dans un état très défectueux. La plancher de la scène est très usagé et son remplacement s'impose ; la coupole centrale est fissurée. Extérieurement, la toiture doit faire l'objet d'une complète réfection et, chose plus grave, des éléments extérieurs de la corniche supérieure se sont à plusieurs reprises détachés au cours de l'hiver et sont tombés sur la voie publique et dans une propriété voisine où ils auraient pu provoquer des accidents extrêmement dangereux." Le coût de la remise en état est évalué à 500 000 F. "C'est l'énormité de ce chiffre, qui dépasse les possibilités financières de la Ville, qui a incité la municipalité à rechercher une autre solution, d'autant plus que la capacité actuelle du Théâtre, qui ne peut accueillir valablement que 400 spectateurs environ et dont l'agrandissement est impossible, est et deviendra de plus en plus insuffisante pour une ville dont la population dépassera 30 000 habitants dans quelques années." La municipalité prévoit donc de vendre le bâtiment à la Banque de France, qui le démolira pour construire un nouvel établissement à la place. Ce projet demeure toutefois sans suite et la Ville investit de nouveau dans le bâtiment. En 1968, cherchant des conseils pour sa restauration, elle s'adresse au directeur du Théâtre et des Maisons de la Culture (ministère de la Culture) qui l'oriente vers son architecte conseil, Pierre Sonrel (18 boulevard de Latour-Maubourg à Paris). Sans plus attendre, en 1970, elle fait installer un nouveau réseau de grand secours (sécurité incendie) et fait refaire la toiture par l'entreprise Jarry (178 avenue de la Liberté à Paron).

Le théâtre est protégé au titre des Monuments historiques le 29 octobre 1975. Le 20 mai 1977, la commission municipale des Affaires culturelles adopte le principe de sa rénovation. Elle confie la réalisation d'une étude préalable au Bureau d'Etudes scénographiques de Camille Demangeat (demeurant à Beaujard, commune de Villeneuve-sur-Yonne), associé avec l'architecte Michel Rioualec (10 rue Pierre Curie, à Sceaux). Ceux-ci écrivent : "Constatation surprenante, l'établissement de la scène dans un bâtiment existant, doté d'une très belle charpente en bois, apparemment très saine, a exigé des prouesses d'habileté pour opérer un raccordement acceptable entre la salle et la scène. Ce qui fait que la scène, qui devrait normalement présenter le volume le plus dégagé du théâtre, est en fait le lieu le plus encombré qui soit." Ils présentent un avant-projet, d'un montant de 2 310 437 F, qui est adopté par le conseil municipal le 27 février 1978 puis le 23 juillet 1979 (actualisé à 2 925 646 F, il atteindra 4 616 288 F avec les travaux complémentaires). Cet avant-projet prend en compte toutes les prescriptions relatives à la sécurité ainsi que la rénovation de la scène et de la salle. La charpente en bois des deux dessous de scène doit être remplacée par une charpente métallique tandis qu'un platelage également métallique sera installé au niveau du gril (doté d'un faux gril partiel et de deux passerelles latérales). Les planchers seront refaits (notamment celui de la scène), une fosse d'orchestre aménagée (et couverte par un plancher démontable), un mur coupe-feu dépassant la toiture créée dans le corps de bâtiment en fond de cour (partagé entre le théâtre et la brasserie), la chaudière existante remplacée par deux chaudières à gaz De Dietrich type CF410. Décors et peintures sont refaits à l'identique. Les travaux débutent en février-mars 1980 et leur réception a lieu le 3 novembre 1981. Le TMS (Théâtre municipal de Sens) est inauguré le 20 novembre 1981. Sa jauge actuelle est de 350 places (hors places borgnes, dont la visibilité est mauvaise). Avec une équipe composée en 2022 du directeur, de trois régisseurs et deux personnes à l'administration, il accueille chaque année une centaine de représentations, la moitié issue de sa programmation et l'autre moitié du milieu scolaire et associatif.