16世纪，此寺被称为“Angkor Wat”；“Angkor”，来自nagara，Wat是高棉语中的“寺庙”，“ngkor Wat”即“寺庙都城”。元成宗铁穆尔在元贞二年（1296年），派遣周达观出使真腊。使团取海路从温州开洋，经七洲洋（西沙群岛海面）、占城、真蒲、查南、半路村、佛村（菩提萨州），横渡淡洋（今洞里萨湖）至吴哥国登岸。周达观和他的使团驻吴哥一年。回国后周达观写了关于真腊风土民情的报告《真腊风土记》。《真腊风土记》称吴哥窟为“鲁班墓”，又说国王死后，有塔埋葬，可见吴哥寺乃皇陵。
一些学者认为，吴哥窟是苏耶跋摩二世的皇陵，根据有三： 一：与吴哥大多数其他寺庙朝东，面对朝阳不同，吴哥窟正门朝西，面向日暮；根据荷兰考古学家博施（Bosch）的研究，印度和爪哇的殡葬风俗，墓地一律朝西，祭祀的寺庙则朝东。 二：画廊浮雕反时针方向排列，是印度教葬礼时在墓地巡行的方向； 三：吴哥窟画廊中苏耶跋摩二世与毗湿奴神相貌相似，暗含日后升天成毗湿奴长驻毗湿奴神殿之意。
元代航海家汪大渊在1330年-1339年间曾游历吴哥，他称吴哥窟为“桑香佛舍”，这表明在十四世纪中叶，吴哥窟已经改为佛寺。汪大渊还报告吴哥窟有“裹金石桥四十余丈”，十分华丽，有“富贵真腊”之语。永乐元年（1403年），明成祖派遣尹绶出使真腊。尹绶从广州出发从海道经占城，过淡水湖（今洞里萨湖）、菩提萨州、经吴哥窟抵达真腊。尹绶回国后将真腊国的山川、地理和吴哥都城所见，绘画成图上呈，明成祖大喜。 暹罗破真腊国都吴哥，真腊迁都金边，次年，吴哥窟被高棉人遗弃，森林逐渐覆盖漫无人烟的吴哥。
后来有些高棉人猎户进入森林打猎，无意中发现宏伟的庙宇，也有一些当地的佛教徒在庙旁边搭盖屋寮居住，以便到庙宇中朝拜，但吴哥遗迹多不为世人所知。1586年，方济各会修士和旅行家安东尼奥·达·马格达连那（Antonio da Magdalena）游历吴哥，并向葡萄牙历史学家蒂欧格·都·科托报告其游历吴哥的见闻：“城为方形，有四门有护城河环绕……建筑之独特无以伦比，其超绝非凡，笔墨难以形容”。但达·马格达连那的报告，被世人目为天外奇谈，一笑置之。1857年，驻马德望的法国传教士夏尔·艾米尔·布意孚神父（Charles Emile Bouillevaux，1823年—1913年）著《1848-1856印度支那旅行记，安南与柬埔寨》，报告吴哥状况，但未引人注意。
1861年1月，法国生物学家亨利·穆奥（Henri Mouhot）为寻找热带动物，无意中在原始森林中发现宏伟惊人的古庙遗迹，并著书《暹罗柬埔寨老挝诸王国旅行记》，大肆渲染，他说“此地庙宇之宏伟，远胜古希腊、罗马遗留给我们的一切，走出森森吴哥庙宇，重返人间，刹那间犹如从灿烂的文明堕入蛮荒”，这才使世人对吴哥刮目相看。法国摄影师艾米尔·基瑟尔（Emile Gsell）是世界上最早拍摄吴哥窟照片的摄影师。
1866年他发表的吴哥窟照片使人们可以目睹吴哥窟的雄伟风采。 1907年，暹罗将暹粒、马德望等省份归还柬埔寨。1908年起，法国远东学院开始对包括吴哥窟在内的大批吴哥古迹进行为期数十年的精心细致的修复工程。吴哥窟的190米宽的护城河，如一道屏障，阻挡森林的围困，因此吴哥窟比其他吴哥古迹，保存得最完整。但仍然杂树丛生，有些树根深植入部分建筑物的红壤砖缝隙，逐渐将缝隙扩大，最后将红壤砖推落，使建筑物坍塌。
修复工程包括几个方面的工作：清除杂草、树林、积土、白蚁，稳定地基，支撑摇摇欲坠的建筑物，然后运用考古学家在希腊雅典和印度尼西亚爪哇等地古迹重建工作中发展起来的分析重建术，运用在吴哥古迹的重建上。清理吴哥窟的工程在1911年完成。 30年代，开始用分析重建术复原吴哥窟。分析重建法要求必须用遗址的原来材料，按原来的古代的建造方法复原遗址，只有在原物无存的情况下才允许适当使用代替物。这项工作到了六十年代曾因柬埔寨政局动荡而停顿，于1990年代重新展开。
吴哥寺在十四世纪中叶成为大乘佛教寺，因十三世纪时真腊国王阇耶跋摩七世奉大乘佛教为国教。十五世纪初叶暹罗入侵吴哥之后，因暹罗人信奉上座部小乘佛教，吴哥寺变为上座部佛寺。此后吴哥寺一直是上座部小乘佛寺，延续至今。
