Un premier château est construit au XII siècle, époque à laquelle Étienne II de Villars prend la seigneurie de Rochetaillée et celle de l'Île Barbe. En 1173, il en fait don au Chapitre de Lyon. À partir du XIV siècle, le fief, situé en franc-Lyonnais, petit territoire bénéficiant d'une exemption fiscale, devient une « obéance », forme de juridiction religieuse.
En 1562, la demeure, mal entretenue par les « mansionnaires » (membres du Chapitre habitant Rochetaillée), est ravagée par un incendie lors d'une attaque des Huguenots. Dans la première moitié du XVII siècle, des fléaux s'abattent sur la seigneurie : la peste entre 1628 et 1629, puis les inondations, en 1636. Toujours au XVII siècle, le mansionnaire Antoine de Foudras répare la chapelle puis le château. Une nouvelle chapelle, achevée en 1716, est construite par François de Foudras.
En 1790, l'ensemble est vendu comme bien national ; le château tombe alors en ruine. En 1892, Pierre Claude Bellingard réalise une première restauration. Après avoir acquis le château en 1902, Jean Joseph Clerc poursuit sa restauration. C'est en 1959 qu'Henri Malartre achète le château ; il inaugure l'année suivante son Musée de l'Automobile.
Depuis 1972, le château est la propriété de la ville de Lyon.
