Die direkt am Fuße des hoch aufragenden Burgfelsens situierte Obermühle ist mit ihrer ersten Erwähnung im Jahre 1237 die älteste Mühle Limburgs. Gleich der Niedermühle war sie Bannmühle für die Stadtbevölkerung, gehörte dem Stadtherrn und wurde von diesem in Erbpacht vergeben. Der Stadtschreiber Tilemann Wolfhagen von Ehlen berichtet, dass die Obermühle mitsamt den daneben liegenden Walk- und Ölmühlen bei einer fünftägigen großen Flut 1373 weggespült wurden. 1436 und 1441 sind die Mühlenmeister erstmals namentlich bekannt. In dieser Zeit wird auch das zugehörige Wehr erwähnt. 1577/78 erfolgte der Neubau des Wohnhauses durch den Trierer Baumeister Hans von Wittlich, die Bauleitung hatte der Limburger Keller Willhelm Reuber inne. Vielleicht datieren aus dieser Zeit noch die starken, massiven Erdgeschosswände des heutigen Hauses. Die Inschrift auf einem der rückseitigen Fenstergewände "1774 H Z – M L I Z M I" bezieht sich auf den Müller Heinrich Zimmermann, der den Bau wahrscheinlich renovieren ließ. Eine bauhistorische Einschätzung des Fachwerkobergeschosses und des Satteldaches, dessen Eckpartien durch breite geschweifte Zwerchgiebel an den Traufseiten betont werden, ist aufgrund der Verputzung nicht möglich. Der ursprüngliche Keller sowie die Zwischendecken wurden bei Sanierungsmaßnahmen von 1973 größtenteils durch Stahl- und Betonkonstruktionen ersetzt. Zur Lahnseite lag das Wasserhaus mit ursprünglich mehreren Mühlrädern, das letzte erhaltene ist heute ohne Umbauung sichtbar.

1890 ließ die Stadt den heutigen, gusseisernen Steg über dem Mühlgraben errichten. 1936 übernahm die Mühle die Limburger Bäckergenossenschaft, bevor sie von der Diözese Limburg erworben und renoviert wurde. Heute Gastwirtschaft.

Das Wehr der Obermühle verläuft an alter Stelle schräg durch die Lahn bis an den südöstlichen Beginn der heutigen Schleuseninsel. Der jetzige Zustand ist auf Erneuerungsmaßnahmen des 18./19. Jahrhunderts zurückzuführen.