Juba 1832. aastal kavandati proovituletorni ehitamist alumisest ehk Katharinenthali tuletornist lõunasse Lasnamäele. Alumise meremärgi tule- sektor oli kaptenite sõnul merelt raskesti loetav ega taganud põhja poolt turvalist sissesõitu Tallinna lahte. 1835. aastal ehitati puidust ja ajutisena kaheksatahulise tüvipüramiidi kujuline tuletorn. Kuna kehand värviti punaseks ja katus roheliseks, hakkas rahvas seda punaseks tuletorniks kutsuma. Sõltumata sihist ulatus ülemise tuletorni valgussektor alguses läänes Naissaare põhjaotsani. 1857. aastal laiendati ülemise tuletorni valgussektorit lääne suunas, et hoiatada Suurupi ja Naissaare vahelt saabuvaid laevu Naissaare lõunaotsas asuva ohtliku rifi eest.
1862. aastal tehti puidust tuletornile põhjalik remont, kuna see oli juba väga halvas tehnilises seisukorras. 1879. aastal oli tuletornis seitse katoptrilist valgustit, mis asusid maapinnast 35 m ja merepinnast 78 m kõrgusel, tuli oli nähtav 18 miili kaugusele. Tuletorni juures olid kivist teenijate elamu ja puidust ait.
1896. aastal valmis uus paekivist ja krohvitud 40 m kõrgune ümara põhiplaaniga tuletorn, mis värviti taas punaseks. Laternaruumi paigaldati püsitulega II järgu katadioptriline aparaat, mis telliti Pariisist Sautter Harle & Co tehasest. Merepinnast 79 m kõrgusel asuva tule sektor ja nähtavus- kaugus olid samad kui eelmisel tuletornil. Samal ajal remonditi elamu, pesuköök ja aidad ning piirati kompleks aiaga. 40-meetrise Tallinna ülemise tuletorni rajamisel kasutati traditsioonilist ehitusmaterjali, kuna paekivist torni ilmastikukindlus ja suhteliselt väike hooldusvaev oli aegade jooksul materjalivalikut õigustanud.
1901. aastal valmis generaatorihoone ja tuletorn viidi üle elektrivalgusele. 1902. aastal rajati Tallinna ülemise tuletorni territooriumile hoone gaasi tootmiseks ja valmis veel üks elamu. 1914. aastaks oli tuletorni alumine osa värvitud valgeks, ülemine mustaks. Tule nähtavuskaugus oli 23 miili. 1920. aastatel tegutses tuleotrnide töö kindlustamiseks Tallinna ülemise tuletorni juures atsetüleenivabrik. 1941. aastast säilinud remondiaruandest ilmneb, et on parandatud kuulidest läbilastud kuplit, uksi ja aknaid. Ilmselt läätsed siiski eriti kannatada ei saanud. Plinkaparaadile paigaldati remondi käigus uus elektrimootor. 1950. aastast on teada reservlaterna olemasolu. Selle nähtavuskaugus oli 15 miili.
Viimased suuremad moderniseerimis- ja remonditööd tehti 2000. aastal. Tuletorn sai reservtule, mille nähtavuskaugus oli sihi suunas 14 miili, nähtavuskaugus 9 miili. Tallinna sihi suunale lisati kitsas valge sektortuli, mille valgus oli nähtav 23 miili kaugusele. Huvitava tõigana võib esile tõsta, et 1857. aastal tuletornis kehtestatud lai valgussektor oli kasutusel 2008. aastani, seega üle 150 aasta.
2010. aastal uuendati tuleseadmed ja muudeti tule iseloomu. Laternaruumis töötavad veel reservseadmena Pariisi firmas Sautter Harle & Co 1895. aastal valmistatud unikaalsed optilised läätsed. Teenindushoonetest on alles 19. sajandi teisel poolel ehitatud elamu, saun ja kelder, 20. sajandi algul ehitatud masinahoone, masinistide elamu ja gaasivabrik ning 20. sajandi teisel poolel ehitatud elamu ja töökoda. Tuletornikompleks on kultuurimälestisena riikliku kaitse all.
