Un manoir fort primitif fut construit au XVI siècle. En partie ruiné, il fut acheté en 1688 et reconstruit par Pierre Delpech, (1642 - 1712), marquis de Méréville en 1709, conseiller du roi, dont le fils Jean Delpech, (1671 - 1737), qui a fait construire en 1724 l'hôtel de La Tour du Pin, rue Vieille-du-Temple, fit aménager le château dans un style Renaissance, ouvrant les fenêtres et ajoutant un fronton à la façade occidentale. À l'ouest du parc une allée d'honneur plantée menant à la cour principale fut aménagée et à l'arrière fut ajouté un jardin à la française jusqu'au cours de la Juine, qui faisait alors office de canal.
En 1784, après avoir réaménagé le château de La Ferté-Vidame, le financier Jean-Joseph de Laborde achète Méréville pour en faire sa résidence de campagne; il décida d'agrandir le château par deux ailes nord et sud et de redessiner les jardins. Le château fut réaménagé et décoré par les grands artistes de l'époque, les architectes Jean-Benoît-Vincent Barré et François-Joseph Bélanger, l'ébéniste Jean-François Leleu, le sculpteur Augustin Pajou, le peintre Claude Joseph Vernet, employant plus de quatre-cent ouvriers. Cédant à la mode de l'époque, il fit réaménager les jardins français pour des jardins à l'anglaise. Bélanger entama ces travaux mais fut remercié en 1786, c'est alors Hubert Robert qui reprit le travail en suivant les plans précédents et en ajoutant sa touche. Cette année-là fut ajouté le temple de la Piété filiale en l'honneur de sa fille Natalie.
En 1787, fut achevée la déviation de la Juine, ouvrage hydrographique exceptionnel pour l'époque. Cette même année fut construite sur une île du grand lac la colonne rostrale en mémoire des fils du marquis, Édouard et Ange morts en 1786 au cours de l'expédition de La Pérouse.
À partir de 1790, le marquis vécut continuellement à Méréville, il y tint un salon qui grandissait encore la réputation du château. En 1794 cependant tout bascula, le tribunal révolutionnaire condamna le marquis qui fut guillotiné le 18 avril 1794. Sa veuve, Rosalie-Claire de Nettine (1737-1815) y vint encore, mariant son fils Alexandre de Laborde en 1805 à Méréville, réunissant des artistes et hommes d'État, dont François-René de Chateaubriand. Elle vendit ensuite le domaine à monsieur d'Espagnac qui le vida de ses richesses et modifia les deux ailes du château.
En 1824, le comte de Saint-Roman, nouveau propriétaire ajouta de nouvelles fabriques dont la ferme suisse. Le domaine passa ensuite de main en main, perdant peu à peu de sa magnificence, notamment lors du « règne » de monsieur Carpentier qui dilapida les œuvres du parc et fit abattre de nombreux arbres. Ainsi, monsieur de Saint-Léon acheta pour son parc de Jeurre voisin la façade de la laiterie, le temple de la piété filiale, le cénotaphe de James Cook et la colonne rostrale.
Divers propriétaires se succédèrent ensuite. En 1977 et 1978, le château puis le parc furent classés au titre des monuments historiques. À la fin du XX siècle, alors que le domaine est la propriété du fonds de pension japonais Sport Chinko depuis 1990, qui projetaient d'y implanter un hôtel de luxe et un golf, une association présidée par François d'Ormesson milita pour la sauvegarde du site. En 1997, le lavoir fut rénové. Le 4 décembre 2000, le Conseil général de l'Essonne, aidé du ministère de la Culture acheta la totalité du domaine pour cinq millions de francs et entreprit de le restaurer.
