Amb jurisdicció sobre tot el territori espanyol, té competència exclusiva per a conèixer dels recursos d’inconstitucionalitat contra lleis i normes jurídiques amb rang o categoria de llei, dels d’empara per violació de drets i llibertats fonamentals i dels conflictes de competència entre l’Estat i les comunitats autònomes. Exerceix el control de constitucionalitat de la llei a través del recurs d’inconstitucionalitat (que pot ser presentat pel president del govern espanyol, per 50 diputats, per 50 senadors, pel defensor del poble i pel Parlament o per l’executiu d’una comunitat autònoma) i a través d’una qüestió d’inconstitucionalitat (que pot ser presentada pels jutges i magistrats). El Tribunal Constitucional, amb caràcter previ, també pot conèixer de la constitucionalitat d’un tractat internacional. Així mateix, exhaurits els recursos davant de la jurisdicció ordinària, el Tribunal Constitucional coneix dels recursos d’empara que puguin plantejar les persones que invoquin un interès legítim per vulneració dels drets fonamentals.
És compost de 12 membres nomenats pel rei: quatre a proposta del Congrés de Diputats, quatre del Senat (aprovats per majoria de tres cinquenes parts d’ambdues cambres), dos a proposta del govern i dos a proposta del Consell General del Poder Judicial. La durada del càrrec és de nou anys, i els membres es renoven per terços cada tres anys. El president és elegit pels membres del Tribunal i nomenat pel rei, i la durada del càrrec és de nou anys. El càrrec de magistrat del Tribunal Constitucional és incompatible amb altres funcions judicials, càrrecs polítics i de representació política, així com activitats mercantils i professionals. Tanmateix, els criteris d’elecció dels membres han estat qüestionats com un obstacle a la independència del tribunal respecte al poder polític, especialment en les legislatures dominades per majories absolutes.
En l’Estat autonòmic, el Tribunal Constitucional també dictamina sobre els conflictes de competència que enfrontin l’Estat amb una comunitat autònoma o les comunitats autònomes entre elles, i també sobre conflictes en defensa de l’autonomia local. Les sentències del Tribunal Constitucional tenen valor de cosa jutjada, i les que declaren la inconstitucionalitat d’una llei o d’una norma amb rang de llei tenen plens efectes generals. D’ençà dels inicis de la seva activitat, el 1980, el Tribunal Constitucional espanyol ha anat consolidant una doctrina en matèria de drets fonamentals a través de la interpretació dels preceptes constitucionals en diversos àmbits de llibertat (llibertat d’expressió, igualtat i prohibició de discriminació, llibertat religiosa, honor, intimitat, dret a la tutela judicial efectiva, dret a la llibertat i a la seguretat, principi de legalitat, vaga i llibertat sindical, dret d’associació i dret de manifestació, entre d’altres).
Sobretot a partir de l’any 1983, amb la sentència sobre la Ley Orgánica de Armonización del Proceso Autonómico (LOAPA), ha marcat la pauta de les relacions entre l'Estat i l'ordenament juridicopolític de les comunitats autònomes amb la interpretació dels títols competencials i amb la definició de determinats conceptes (com el de legislació bàsica de l’estat, a partir de l’any 1988).
A la primera dècada del segle XXI, una sèrie d’enfrontaments amb la jurisdicció ordinària (Tribunal Suprem) i entre els mateixos magistrats del Tribunal Constitucional erosionaren la seva posició. La impugnació feta per un grup de diputats del Partido Popular de la reforma de l’Estatut d’Autonomia de Catalunya del 2006, aprovada per referèndum pel poble de Catalunya, davant del Tribunal Constitucional, motivà un clima d’incertesa en l’autogovern català i, també, crítiques des del catalanisme a la jurisdicció constitucional i al que considerava la politització de l’ens. La sentència del Tribunal Constitucional del 28 de juny de 2010 sobre l’Estatut, considerada des d’amplis sectors com a greument lesiva per a la continuïtat de l’autogovern català, significà un punt d’inflexió en les relacions entre Catalunya i l’Estat espanyol.
Prèviament, l’any 2008 el Tribunal Constitucional havia declarat inconstitucional la llei del Parlament basc (informalment coneguda com "Pla Ibarretxe") per la qual es convocava una consulta de caràcter sobiranista.
Des dels seus inicis, el Tribunal Constitucional ha estat objecte de dues reformes. La primera, aprovada per la Llei orgànica de l’Estat 6 ⁄ 2007, de 24 de maig, estipula que els magistrats proposats pel Senat siguin elegits d’entre candidats presentats per les assemblees legislatives de les comunitats autònomes sempre que aquesta cambra els consideri idonis. També establia nous requisits d’admissió del recurs d’empara, especialment en relació amb possibles vulneracions de drets fonamentals, entre d’altres. A l’octubre del 2015 entrà en vigor la Llei orgànica 15/2015, per la qual s’habilitava el Tribunal Constitucional per suspendre de les seves funcions els càrrecs públics que incomplissin les seves sentències. La llei fou aprovada només pel PP. Tramitada amb procediment d’urgència, fou una resposta del govern espanyol al sobiranisme creixent del govern de la Generalitat de Catalunya. Entrà en vigor el 3 de novembre de 2016, després de ser aprovada, bé que no per unanimitat, pels membres del tribunal.