Obraz nabył w latach 1890-1891 Theo van Gogh. Po jego śmierci 25 stycznia 1891 do 1897 obraz nadal znajdował się w rodzinie. W 1897 wdowa po Theo van Goghu, Johanna van Gogh Bonger sprzedała obraz za 300 franków prywatnemu kolekcjonerowi w Kopenhadze. W 1904 obraz znalazł się w posiadaniu niemieckiego marszanda Paula Cassirera. W 1911 obraz zakupiła miejska galeria Städel z Frankfurtu nad Menem. Znajdował się on w jej zbiorach do 1933, kiedy został ukryty w obawie przed nazistami. W 1937 Ministerstwo Propagandy Rzeszy (niem. Reichsministerium für Volksaufklärung und Propaganda) odkryło obraz i w ramach walki ze sztuką zdegenerowaną skonfiskowało go i pospiesznie sprzedało pewnemu marchandowi w Amsterdamie. Ten z kolei sprzedał obraz kolekcjonerowi Siegfriedowi Kramarsky’emu, który zabrał dzieło ze sobą do Nowego Jorku. Tam było ono często wypożyczane Nowojorskiemu Muzeum Metropolitalnemu.

W 2007 pojawiły się doniesienia, iż obraz został sprzedany 10 lat wcześniej inwestorowi austriackiego pochodzenia Wolfgangowi Flöttlowi . Ten z kolei miał dzieło odsprzedać pewnemu anonimowemu nabywcy.

Druga wersja obrazu Portret doktora Gacheta znajduje się w zbiorach Musée d'Orsay w Paryżu (Nr kat.: F 754, JH 2014).