Riquet s'activa à transformer le château passablement délabré, entouré de défenses en très mauvais état en une agréable demeure dans le style austère du XVIIe siècle. Le château est reconstruit de 1654 à 1666 par le maçon de Revel, en conservant plusieurs éléments militaires hérités de la maison-forte antérieure, probablement aménagée durant les guerres de religions : fossés secs, cour intérieure close (les bâtiments clôturant l'espace ont été démantelés depuis), corps de logis fortifié à l'est de deux imposantes tours carrées et à l'ouest par deux tourelles rondes en poivrière.
Les façades originellement en briques de bandeaux furent modifiées au XVIIIe siècle. Les ouvertures, portes et fenêtres furent elles aussi remises au goût du jour. Riquet agrémenta sa demeure d'un parc et de jardins à la française, entreprise qui fut poursuivie par ses descendants (construction de l'orangerie, de la glacière, et du labyrinthe arboré). À quelque distance du domaine, Riquet fit également construire une briqueterie et une forge, lieux qui lui servaient pour ses expériences.
Malgré son age avancé pour l'époque (plus de 50 ans), Riquet ne se contenta pas de passer dans ce domaine une paisible retraite. Dans son imagination, l'idée germa de réaliser un canal de navigation à caractère commercial reliant, par voie terrestre et via la capitale du Languedoc, Toulouse, la mer Méditerranée à l'océan Atlantique. Les bois du vallon de la garenne, tout proche de son château, devint un vaste chantier expérimental : à partir d'un ancien vivier, Pierre-Paul Riquet fit creuser un bassin réservoir qui alimentait un véritable canal de 300 mètres de long. La machine hydraulique de Riquet préfigurait les équipements du futur canal du Midi.
Les expérimentations que Riquet y mena durèrent de 1655 à 1662. Cette année là, il reçut des hôtes de marque, dont l'archevêque de Toulouse, Charles-François d'Anglure de Bourlemont. Riquet sut le convaincre de la faisabilité du projet, grâce aux essais qu'il fit avec sa machine.
Cette rencontre fut déterminante. Dans sa fameuse lettre du 15 décembre 1662, Riquet présenta son idée de canal à Colbert, ministre des Finances de Louis XIV. Le projet de « canal coyal de Languedoc » reçut un avis favorable de la couronne qui l'autorisa l'ouverture du chantier par un édit royal d'octobre 1666. Riquet se lança alors dans cette opération gigantesque pour l'époque, y consacrant sa vie et sa fortune.
Pierre-Paul Riquet avait obtenu la réhabilitation de noblesse pour lui et les siens en 1666, devenant seigneur de Bonrepos. Il mourut en octobre 1680, quelques mois avant l'achèvement des travaux par ses fils, Jean-Mathias, baron de Bonrepos, et Pierre-Paul, comte de Caraman.
Le canal royal de Languedoc fut officiellement inauguré le 19 mai 1681.
Le château est construit sur un site castral, une plate-forme entourée de fossés enjambés par deux ponts. Il est formé d'un logis rectangulaire cantonné de tours carrées et de tourelles sur la façade arrière. Le logis et les bâtiments des communs entourent deux cours et donne au sud sur une terrasse. Tous ces bâtiments et l'orangerie sont classés monument historique.
Les jardins et le parc dans lequel sont conservés les aménagements hydrauliques conçus par Riquet pour préparer la construction du canal du Midi et expérimenter les différentes techniques sont eux aussi classés monument historique.
Le jardin d'agrément du château de Bonrepos-Riquet est inscrit au pré-inventaire des jardins remarquables.