La terre de Basville est achetée en 1559 par Charles de Lamoignon (1514-1572). À la place de l'ancien manoir seigneurial, son fils Chrétien de Lamoignon (1567-1636), conseiller au Parlement de Paris et qui terminera sa carrière comme président à mortier, fait édifier le château actuel entre 1625 et 1629 par Michel Villedo (1598-1667), maitre-maçon de Louis XIII en 1629, dont c'est la première construction connue. Cette construction revient au commanditaire à la somme relativement raisonnable de 45 000 livres.
Au Grand Siècle, la société la plus choisie fréquente ce domaine. Guillaume I de Lamoignon (1617-1677), marquis de Basville, dont Fléchier fera l'oraison funèbre, est l'ami de Racine, La Fontaine, Madame de Sévigné, Saint Vincent de Paul, Bourdaloue. C'est à Baville que Boileau compose plusieurs de ses œuvres.
Deux ailes en retour, sans doute prévues dans le plan initial, sont construites en 1677 pour Chrétien-François I de Lamoignon (1644-1709), marquis de Basville, avocat général au Parlement de Paris, dans le respect du style originel. Les communs sont bâtis en 1769 pour Charles-François de Lamoignon, dans le respect du parti initial alors passablement suranné.
La famille de Lamoignon conserve la propriété du domaine jusqu'en 1791. Le château est acquis du marquis Rollin d'Ivry par Philippe Albert Joseph de Saulty dit Pruvost de Saulty (1765-1833), receveur général du département de Seine-et-Oise et Régent de la Banque de France en 1817, qui meurt au château le 25 novembre 1833.
L'aile gauche est détruite au début du XIX siècle, et les matériaux sont utilisés pour construire une orangerie derrière l'aile droite. Elle contenait une très riche bibliothèque, actuellement conservée au British Museum.
En 1816, les jardins à la française sont remplacés par des jardins à l'anglaise avant d'être rétablis à la fin du XIX siècle, peut-être par Henri et Achille Duchêne.
Le chateau fut utilisé comme lieu de tournage pour la série l'Internat diffusé en 2009 sur M6.
