Maleriet ble katalogisert av broren Theo i 1890 og solgt i 1901 av Theos enke. Den norske forretningsmannen Nicolai Christian Mustad (O. Mustad & Søn) kjøpte bildet i 1908, for øvrig på et tidspunkt da det hersket tvil om bildets ekthet. Bildet fortsatte å være i familiens besittelse og i perioder oppbevart på loftet. Sakkyndige ved van Gogh-museet undersøkte bildet i 1990-årene og fant at det ikke var autentisk. Først flere år senere ble bildet gjenstand for en ny og langvarig undersøkelse og i september 2013 ble bildets ekthet bekreftet. Dermed er «Solnedgang» det første gjenoppdagede av van Goghs verk, siden Jacob-Baart de la Failles i 1928.