Le château a tout d'abord été classé monument historique le 12 juillet 1886 et son enceinte le 20 août 1913. Le 13 juillet 1927, la salle de l'Échiquier est inscrite à l'inventaire supplémentaire des monuments historiques. le 19 avril 1946, c'est au tour du logis du gouverneur d'être inscrit, puis les bâtiments à l'intérieur de l'enceinte le 13 mai 1946.
Finalement, ces arrêtés de protection ont été annulés lors du classement de la totalité des constructions et des vestiges du château, y compris l'assiette et l'enceinte fortifiée (à l'exception toutefois des fossés, du musée des Beaux-Arts de Caen et et de l'aile en retour nord du musée de Normandie) par arrêté du 10 avril 1997.
Guillaume le Conquérant se fait construire un palais au nord de l'enceinte dans la deuxième partie du XIe siècle. Ce palais reprend l'organisation classique des demeures seigneuriales de cette époque. Il est constitué d'un ensemble de trois bâtiments principaux, peut-être entouré par un mur le séparant du reste de l'enceinte castrale : l' aula (espace de réception officielle), la capella (chapelle palatine réservée au duc-roi et à ses proches) et les camerae (appartement de la famille ducale, puis royale). cette résidence princière conserve son rôle central jusqu'au XIIIe siècle. La construction du donjon par Henri Ier Beauclerc ne change pas la destination du palais qui reste la résidence privilégiée des rois, la camera regis. L'aula de Guillaume le Conquérant en revanche est probablement transformé en appartement privé après la construction, toujours par Henri Ier Beauclerc, de la nouvelle aula, connue aujourd'hui sous le nom de salle de l'Échiquier. Quand le château perd son statut de résidence royale après l'incorporation de la Normandie au domaine royal français en 1204, le Vieux palais se trouve marginalisé. Il fait encore régulièrement l'objet de travaux, mais n'est plus utilisé épisodiquement pour accueillir les hôtes de marque, les représentants du roi résidant dans le Logis du Roi. Ainsi quand le duc d'York s'installe au château en 1444, le Vieux palais, très vétuste, doit être rénové. Au fil des siècles, le Vieux palais de Guillaume le Conquérant est profondément modifié au fil des siècles, la chapelle étant le bâtiment le mieux conservé. L'ensemble est finalement détruit en 1944 pendant la bataille de Caen. Les fouilles de Michel Boüard dans les années 1960 ont permis cependant d'en dégager les structures rendus lisibles au sol par des graviers sombres.
L'aula de Guillaume le Conquérant est un rectangle de 16 m sur 8. Le sol étant en terre battue, il est possible que l'étage noble se soit trouvé au deuxième niveau, le départ d'un escalier à vis ayant été retrouvé au sud-ouest de la salle. À quelques mètres au sud, s'élevait la chapelle dédiée à saint Georges, comme l'église paroissiale avec qui elle a pu être confondue par le passé. Comme il était l'usage au XIe siècle, elle se trouvait dans un bâtiment perpendiculaire à la salle d'apparat, suivant un axe sud-est - nord-ouest. Le bâtiment a été monté directement sur l'argile de la terrasse post-glaciaire sur laquelle est érigée le château ; cette absence de fondation est caractéristique des modes de construction des XIe et XIIe siècles. La chapelle était relativement imposante (16 m sur 7) et servait pour les réunions ordinaires de l'Échiquier. Au XVe siècle, on perça des baies gothiques et les murs gouttereaux furent renforcés par des contreforts ; le chevet plat fut également détruit afin de permettre l'érection d'un mur clôturant vers le sud l'ensemble des bâtiments du Vieux Palais.
À l'emplacement de l'église actuelle, se trouvait un bâtiment de facture plus élémentaire dont on ne sait si il s'agit d'un lieu de culte préexistant ou d'une simple habitation. Orientées nettement plus à l'est, les fondations de cet édifice furent exhumées en 1964 par Michel de Boüard et les archéologues du centre de recherches archéologiques et historiques médiévales (CRAHM) de l'université de Caen. L'église paroissiale dédiée à Georges de Lydda est construite dans la deuxième moitié du XIe siècle à l'emplacement de ce bâtiment. Les fouilles de 1964 ont permis de mettre à jour le chœur de l'église romane dont l'abside était semi-circulaire. Il s'agissait d'une église de village qui pouvait accueillir une centaine de paroissiens. Le droit de patronage de l'église appartenait au chapitre de la cathédrale de Bayeux jusqu'en 1080 ; à cette date, il est racheté par Mathilde de Flandres qui le légue à l'abbaye aux Dames.
L'église reste dans son état originel jusqu'au début du XVe siècle. Sévèrement touchée par les bombardements anglais lors du siège de 1417, elle est profondément remaniée dans la deuxième moitié de ce siècle. Les travaux commencent probablement pendant l'occupation anglaise ; la charpente recouverte de lambris couvrant la nef est sûrement due à un charpentier anglais. Les fenêtres romanes sont bouchées et on perce des grandes baies de style "modérément flamboyant". Le clocher que l'on observe sur les gravures du XVIIe siècle date sûrement de cette époque également. Fin XVe siècle - début XVIe siècle, le chœur est reconstruit dans le style gothique. Au sud de la nef, sont érigés une chapelle et le portail actuel.
À partir du XVIe siècle, les civils désertent le château. En 1779, les registres paroissiaux n'enregistrent plus qu'un enterrement par an dans le cimetière de 32 m² qui entoure l'église, ce qui permet d'évaluer la population à environ 25 personnes. L'église paroissiale est désaffectée pendant la Révolution. Du 3 au 28 mars 1793, on y enferme 230 personnes ayant manifesté contre l'enrôlement militaire. En 1799, l'église est transformée en magasin à poudre. En 1827, le service du Génie propose de détruire l'église afin de permettre la construction d'une prison militaire ; le projet est abandonné en 1832. Après que le château a été transformé en caserne, l'ancienne église sert un temps de salle d'armes.
Pendant la bataille de Caen en 1944, le château est à nouveau bombardé. Le presbytère et le pignon sud de la nef sont détruits. L'ancien lieu de culte est restaurée. Pour rappeler ce passé cultuel, des stalles provenant de l'église Saint-Jean de Caen y sont installées et une table de pierre est disposée dans le chœur afin d'évoquer le souvenir de l'autel disparu. Les vitraux sont confiés à Max Ingrand dans le chœur et à Maurice Rocher dans la nef. Dans le cadre du projet de réaffectation du château à l'université, il est programmé que l'ancienne église soit occupée par l'aumônerie des étudiants. Cette proposition est abandonnée et Saint-Georges est converti en mémorial en souvenir des pertes civiles de la bataille de Caen en 1964. La dépouille d'une victime anonyme est inhumée dans l'ancien lieu de culte. Moins de vingt ans plus tard, le mémorial change d'affectation. En 1979, le corps de la victime inconnue est exhumé pour être inhumé de nouveau au chevet de l'ancienne église qui est utilisée à partir de 1980 par le musée de Normandie qui y organise des expositions temporaires.
La première référence concernant ce bâtiment, alors appelé Logis du Roi, date de 1338. Construit sans doute au début du XIVe siècle, c'était la résidence privée du bailli On y trouvait également une salle d'audience et les bureaux du bailliage. Ceux-ci furent transférés à proximité de la prison de la rue Cattehoule (actuelle rue de Geôle) après 1450. Le Logis du Roi devint donc la demeure du capitaine du château, enfin celle du gouverneur « des ville et château de Caen ».
Le bâtiment fut presque entièrement reconstruit au XVIIe siècle. Les contreforts des façades de l'aile sud et la tour d'escalier à l'intérieur de la cour sont des vestiges du bâtiment originel. En novembre 1680, Robert-Jean-Antoine de Franquetot, comte de Coigny, gouverneur du château et bailli de Caen, passa un accord avec Pierre Cottard, architecte du roi, pour remettre en état le Logis du Roi. Les travaux furent terminés en 1682. Les armoiries de la famille des Guillotte-Franquetot-Coigny, qui conservèrent les charges de gouverneur et de bailli jusqu'à la fin de l'ancien régime, étaient gravées sur le fronton.
Au XIXe siècle, le Logis des Gouverneurs est utilisé comme salle d'armes. En 1834, le Génie propose de le transformer en prison militaire, mais le projet ne fut pas réalisé. Quand le château fut transformé en caserne, l'ancienne demeure du bailli abrita le mess des officiers, une bibliothèque et une salle de conférences.
En 1944, sa toiture est soufflée, mais le gros œuvre a résisté. Dans les années 1950, on décide d'y installer le musée de Normandie. En 1958, le bâtiment est rénové ; c'est à cette époque que le grand escalier extérieur est supprimé. En 1960, les services du musée s'installent et le musée ouvre ses portes au public en décembre 1963. En 1978-1982, le musée est agrandi. Des réserves sont creusées sous la cour et une nouvelle aile est construite au nord, donnant ainsi au bâtiment la forme d'un U.