El baño de Diana figura en el inventario de las obras salvadas en 1734 del incendio del Alcázar de Madrid. En los catálogos del Museo se dice que este cuadro y Paisaje con ruinas romanas y pastores (P02130), pertenecieron a la reina Isabel de Farnesio. Sin embargo, se trata de obras distintas de estas dos escenas: las dos consignadas en los inventarios de Isabel de Farnesio (actualmente en Patrimonio Nacional) son cobres, llevan marcado su propio número y la flor de lis indicativos de su procedencia.La escena se desarrolla en el primer plano, ocupado por un gran farallón de roca y árboles que se abre por la derecha hacia un paisaje luminoso y cerrado al fondo por montañas. La articulación espacial entre el primer plano oscuro y el fondo luminoso es todavía algo rígida. El color está aplicado en las figuras con una pincelada lisa y uniforme que confiere a los desnudos un aspecto nacarado. Por el contrario, en la representación de los elementos del paisaje, en especial en las rocas, se vuelve más amplia y expresiva. Desde el punto de vista compositivo, responde a las nuevas tendencias naturalistas del paisaje italianizante, que en el primer tercio del siglo XVII cultivaban en Italia algunos de los pintores flamencos y holandeses allí instalados.La obra de Poelenburch apenas ofrece una evolución estilística desde sus comienzos, lo que unido al hecho de que rara vez fechaba sus obras, hace muy difícil establecer una cronología. Salerno (1977) considera esta obra muy tardía, hacia 1635 y próxima a Bosque con ninfas bañándose (Copenhage, Statens Museum for Kunst, inv. núm. KMSsp 359). Sluijter-Seijffert (1984) la tenía por una obra de los primeros años de la estancia romana del pintor, pero en la actualidad la sitúa hacia 1624, en sus últimos años en Roma por su proximidad estilítica e iconográfica con otras obras de esos años, como Moisés sacada de las aguas (Florencia, Palazzo Pitti).Es muy posible que esta composición sirviera de modelo a Dirck van der Lisse (1607-1669), uno de sus seguidores, para Paisaje con sátiros danzando (Florencia, Palazzo Pitti, inv. núm. 1200).

Fue uno de los cuadros del Museo del Prado seleccionados por José de Madrazo (1781-1859) para ser reproducido en la Colección litográfica de cuadros del rey de España el señor Fernando VII.

Consta en 1734 entre las obras salvadas del incendio del Alcázar. En 1772 figura en el Palacio Real Nuevo. Ingresó en el Museo del Prado antes de 1834.