ผู้ค้นพบปราสาทพระวิหารในสมัยปัจจุบันคือ พระเจ้าน้องยาเธอ กรมหลวงสรรพสิทธิประสงค์ พระราชโอรสองค์ที่ 11 ใน พระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว โดยทรงพบเมื่อปี พ.ศ. 2442 ขณะทรงได้รับแต่งตั้งให้เป็น ข้าหลวงต่างพระองค์ เสด็จไปรับราชการที่มณฑลลาวกาว (อิสาน) ในสมัยรัชกาลที่ 5 และได้ทรงจารึกปี ร.ศ. ที่พบเป็นเลขไทย ตามด้วยพระนามไว้ที่บริเวณชะง่อนผาเป้ยตาดี เป็นข้อความว่า "๑๑๘ สรรพสิทธิ" ต่อมาเมื่อประเทศฝรั่งเศสเข้าครอบครองอินโดจีนได้ทำสนธิสัญญา พ.ศ. 2447 ในการปักปันเขตแดนกับราชอาณาจักรสยาม โดยมีความตามมาตรา 1 ของสนธิสัญญา ระบุให้ใช้สันปันน้ำเป็นเส้นแบ่งพรมแดน ซึ่งมีผลให้ปราสาทพระวิหารอยู่ในดินแดนไทย ต่อมาใน พ.ศ. 2451 ฝรั่งเศสได้จัดทำแผนที่ฝ่ายเดียว ส่งมอบให้สยาม 50 ชุด แต่ละชุดมี 11 แผ่นและมีแผ่นหนึ่งคือ "แผ่นดงรัก" ที่ครอบคลุมพื้นที่ปราสาทพระวิหาร และไม่ได้ใช้แนวสันปันน้ำเป็นเส้นแบ่งพรมแดน ทำให้ปราสาทพระวิหารในแผนที่อยู่ในดินแดนของกัมพูชา โดยที่รัฐบาลสยามในขณะนั้นไม่ได้รับรองหรือทักท้วงความถูกต้องของแผนที่ดังกล่าว

ต่อมาในปี พ.ศ. 2483 ประเทศฝรั่งเศสแพ้สงครามต่อประเทศเยอรมนี ทำให้แสนยานุภาพทางทหารลดลง จอมพล ป. พิบูลสงคราม นายกรัฐมนตรีในขณะนั้น ได้ยื่นข้อเสนอเรียกร้องดินแดนที่เสียไปในสมัยรัชกาลที่ 5 คืนจากฝรั่งเศส ซึ่งฝรั่งเศสปฏิเสธและมีการเคลื่อนไหวทางทหาร ที่ทำให้เกิดสงครามพิพาทอินโดจีนระหว่างไทยกับฝรั่งเศสขึ้นในปี พ.ศ. 2484 ประเทศไทยได้รับชัยชนะในการรบตลอด 22 วัน กระทั่งประเทศญี่ปุ่นที่เป็นมหาอำนาจในขณะนั้นเสนอตัวเป็นตัวกลางไกล่เกลี่ย และฝรั่งเศสได้ตกลงคืนจังหวัดไชยบุรี จำปาศักดิ์ เสียมราฐ และพระตะบองให้กับไทย ตาม อนุสัญญาโตเกียว ทำให้ปราสาทพระวิหารกลับมาอยู่ในดินแดนไทยอย่างสมบูรณ์ ต่อมาเกิดสงครามโลกครั้งที่ 2 รัฐบาลไทยประกาศเป็นพันธมิตรกับญี่ปุ่น ประกาศสงครามกับฝ่ายสัมพันธมิตร และต่อมาญี่ปุ่นเป็นฝ่ายแพ้สงคราม ประเทศไทยต้องรักษาสถานะตัวเองไม่ให้เป็นฝ่ายแพ้สงครามตามญี่ปุ่น และต้องการเข้าเป็นสมาชิกสหประชาชาติ จึงตกลงคืนดินแดน 4 จังหวัดให้ฝรั่งเศส ทำให้ปราสาทพระวิหารกลับไปอยู่บริเวณชายแดนไทย-กัมพูชา ต่อมาในปี พ.ศ. 2497 ฝรั่งเศสแพ้สงครามต่อเวียดนามที่เดียนเบียนฟู ต้องถอนทหารออกจากอินโดจีน ประเทศกัมพูชาได้รับเอกราชตามสนธิสัญญาเจนีวา และไทยได้ส่งทหารเข้าไปรักษาการบริเวณปราสาทพระวิหารอีกครั้ง

ภายหลังกัมพูชาได้รับเอกราช เจ้านโรดมสีหนุ กษัตริย์กัมพูชาสละราชสมบัติเข้าสู่การเมือง ได้ดำรงตำแหน่งเป็นนายกรัฐมนตรี และประกาศเรียกร้องให้ไทยคืนปราสาทพระวิหาร และไทยไม่ยอมรับ เจ้านโรดมประกาศตัดความสัมพันธ์ทางการทูตกับไทย เมื่อวันที่ 24 พฤศจิกายน พ.ศ. 2501และในปีต่อมา เมื่อวันที่ 6 ตุลาคม พ.ศ. 2502 เจ้านโรดมสีหนุได้ฟ้องร้องต่อ ศาลยุติธรรมระหว่างประเทศ (International Court of Justice) หรือศาลโลก ให้ไทยคืนปราสาทพระวิหาร ฝ่ายไทยต่อสู้คดีโดยมี ม.ร.ว.เสนีย์ ปราโมช กับคณะรวม 13 คน เป็นทนายฝ่ายไทย และฝ่ายกัมพูชามีนายดีน แอจิสัน เนติบัณฑิตแห่งศาลสูงสุด อดีตรัฐมนตรีต่างประเทศของสหรัฐอเมริกา เป็นหัวหน้าคณะ กับพวกอีกรวม 9 คน

กระทั่งวันที่ 15 มิถุนายน พ.ศ. 2505 ศาลยุติธรรมระหว่างประเทศ ได้ตัดสินให้ปราสาทพระวิหารเป็นของกัมพูชา ด้วยเสียง 9 ต่อ 3 และในวันที่ 13 กรกฎาคม พ.ศ. 2505 หลังจากศาลโลกตัดสินแล้ว 20 วัน รัฐบาลไทยโดย ดร.ถนัด คอมันตร์ รัฐมนตรีว่าการกระทรวงการต่างประเทศ ได้มีหนังสือไปยัง นายอูถั่น เลขาธิการสหประชาชาติ เพื่อประท้วงคำพิพากษาของศาลโลก และสงวนสิทธิที่ประเทศไทยจะเรียกร้องปราสาทพระวิหารกลับคืนในอนาคต ทั้งนี้คำตัดสินของศาลโลกนั้นเป็นที่สิ้นสุด ไม่มีการอุทธรณ์ การจะนำคดีกลับขึ้นมาพิจารณาใหม่นั้นสามารถทำได้ถ้ามีหลักฐานใหม่และต้องทำภายในสิบปี

หลังจากนั้นไม่นาน กัมพูชาเกิดสงครามกลางเมืองขึ้นภายในประเทศ ปราสาทหินแห่งนี้เปิดให้สาธารณชนเข้าชมเพียงช่วงสั้น ๆ ในปี พ.ศ. 2535 แต่ปีต่อมาก็ถูกเขมรแดงเข้าครอบครอง จากนั้นก็เปิดอีกครั้งจากฝั่งประเทศไทย เมื่อปลายปี พ.ศ. 2541

18 มิถุนายน นายนพดล ปัทมะ รัฐมนตรีว่ากระทรวงการต่างประเทศ ได้ลงนามยินยอมให้กัมพูชาขึ้นทะเบียนปราสาทพระวิหารเป็นมรดกโลกแต่ฝ่ายเดียว ร่วมกับ นายอึง เซียน เอกอัครราชทูตกัมพูชา และเจ้าหน้าที่ที่เกี่ยวข้อง

8 กรกฎาคม องค์การยูเนสโก ประกาศรับปราสาทพระวิหารขึ้นเป็นมรดกโลกเฉพาะแต่เพียงตัวปราสาท