Le site est un éperon surplombant la Vienne, et est de ce fait un point stratégique intéressant. On fait mention d'un camp romain dès le Ve siècle. La construction de la forteresse commença au Xe siècle. La région est alors contrôlée par Thibaut Ier, Comte de Blois.
En 1044, l'Anjou, depuis longtemps en guerre contre la Touraine, prend la place forte au comte de Blois et les comtes d'Anjou deviennent alors les nouveaux propriétaires des lieux.
Henri II Plantagenêt, comte d'Anjou devient roi d'Angleterre en 1154. Il apporte sa contribution à l'agrandissement du château, en construisant notamment le fort Saint-Georges et la tour du Moulin. Il y meurt en 1189, alors qu'il était en guerre contre la France. Ses deux fils, Richard Cœur de Lion, et Jean sans Terre, apporteront également des fortifications supplémentaires au château.
Philippe Auguste, roi de France, assiège Chinon à l'automne 1204. Après s'être emparé du fort Saint-Georges, il prend le château le 24 juin 1205. Il y fera édifier le donjon. Plusieurs rois de France y passeront ensuite.
Philippe IV de France, dit Philippe le Bel s'en servit même comme prison pour enfermer les dirigeants de l'Ordre du Temple (et notamment le Grand Maître Jacques de Molay) avant leur jugement. On peut encore aujourd'hui retrouver des inscriptions sur les murs de la tour du Coudray, qui leur sont attribuées.
En 1427, une grande partie de la France est occupée par les Anglais lorsque Charles VII décide de s'installer à Chinon. Il y emménage avec sa cour. C'est là que Jeanne d'Arc viendra l'y trouver, venant de Lorraine avec une escorte de six hommes. Elle est reçue dans la salle du logis, somptueusement décorée pour l'impressionner. La grande salle est éclairée de 50 torches, 300 gentilshommes en riches costumes sont réunis et le roi se dissimule dans la foule, un courtisan ayant revêtu son habit.
On raconte qu'elle le reconnut sans hésitation et qu'elle s'adressa à lui en ces termes:
Gentil Dauphin, j'ai nom Jehanne la Pucelle : le Roi des Cieux vous mande par moi que vous serez sacré et couronné en la ville de Reims et vous serez le lieutenant du Roi des Cieux qui est le roi de la France. Après beaucoup de questions du roi, Jeanne reprit : « Je te dis de la part de Messire que tu es vrai héritier de France et fils du roi, et il m’envoie à toi pour te conduire à Reims afin que tu y reçoives ton couronnement et ton sacre, si tu en as la volonté. »
C'est à la suite de cet épisode que Jeanne d'Arc eut la confiance de Charles VII et fut nommée chef de guerre. Pendant son séjour au château, elle est logée dans la tour de Coudray, sans doute par superstition. C'est cette même qui servit autrefois à retenir prisonnier Jacques de Molay.
La cour du roi quitta le château en 1450. Notons cependant que Louis XII y revint en 1498 pour recevoir le légat du pape, César Borgia, venu lui porter la bulle de son divorce avec Jeanne de France.
Par la suite, le cardinal de Richelieu en devient propriétaire en 1633, et le château restera dans sa famille jusqu'à la Révolution française. Cependant, comme le château de Chinon fait de l'ombre au propre château du cardinal, il est sciemment mal entretenu, commence à tomber en ruines avant d'être partiellement détruit.
Un premier essai de restauration fut lancé par Prosper Mérimée en 1854, qui fit consolider toute l'enceinte Sud.
Devenu par la suite propriété du département, le château fit l'objet de plusieurs restaurations, dont la dernière fut lancée en 2006. Il est ouvert aux visiteurs, et la tour de l'Horloge abrite aujourd'hui un musée consacré à Jeanne d'Arc.