De nombreuses familles se sont succédé à Bionnay: les Marzé sont les premiers seigneurs connus de Bionnay, qu'ils possèdent dans la première moitié du XVI siècle puis les Gaspard tiennent le fief dans la seconde moitié du XVI siècle. Claude de Gaspard, Jean de Gaspard en sont deux représentants.
Amable Thierry acquiert la propriété en 1611, sa fille Marie, dame de Bionnay et de Vaux, épouse en 1643 Jean de Champier, baron de Juis, bailli du Beaujolais.
Louis Mabiez devient seigneur de Bionnay en 1656, puis Antoine Monspey(1661 - ), chevalier, est seigneur de Bionnay, appelé le comte de Vallière; il épouse en 1678 Jeanne Charlotte de Champier Rabutin et leur fils Joseph-Henri (1695 - ), capitaine de dragons dans le régiment de Bauffremont, hérite du domaine; il épouse en 1726 Marie Anne Livie de Pontevès.
Alexis Noyel de Belleroche achète le château en 1749. Il observe: « Tous les murs ont besoin d'être remaillés, celui de la galerie du côté du matin est prêt à tomber dans le jardin, le reste est à l'avenant ».
La propriété passe à M. Thivel en 1857 puis Félix Fournier se porte acquéreur en 1902 et en 1934, la famille Targe lui succède.
À la fin du XX siècle, plusieurs acquéreurs se succèdent. Parmi eux, en 1994, Philippe Bally inventeur et artiste industriel, propriétaire de la SA Bally et des marques BSI (boitier de servitude intelligent) et Keep-Cool. Le château sert de résidence d'été à divers artistes. Philippe Ramette y compose la première œuvre de la série des "Balcons" en 1996.