Dourdan faisait partie des fiefs de Hugues le Grand qui y fit construire un chastelet Xe siècle où il s'éteint en 956. Ce chastelet perdura suffisamment longtemps pour que Louis VII (1120-1180) en fît, dit-on, une de ses résidences de chasse.
Entre 1220 et 1222, un nouveau château fut construit à la demande de Philippe-Auguste à l'emplacement du château capétien. Il reprend les caractéristiques des châteaux philippiens de l'époque, comparable au châteaux de Gisors ou Angers et dans une moindre mesure au Louvre. Caractéristique de l'architecture militaire de cette époque, il était bâti sur un plan carré, protégé par des tours d'angles et un donjon isolé. S'ajoutait un fossé entourant le château et séparant le donjon.
En 1240, Louis IX l'offrit à sa mère Blanche de Castille puis en 1260 à sa femme Marguerite de Provence. Ce fut ensuite un rendez-vous de chasse pour Philippe le Hardi et Philippe le Bel qui le donna en 1307 à son frère le comte d'Évreux.
En 1314, à la suite du scandale de la Tour de Nesle, Jeanne II de Bourgogne, un temps compromise fut enfermée dans le donjon du château. Le château devint la propriété de Jean Ier de Berry en 1385 qui fit ajouter les fortifications de la ville. Ce qui n'empêcha pas, pendant la Guerre de Cent Ans, le pillage de la ville par les Anglais en 1428 et l'emprisonnement en 1430 d'Étienne de Vignolles dit La Hire, compagnon de Jeanne d'Arc dans le donjon avant son évasion en 1431.
En 1477, Louis XI réintégra le château au domaine royal, ce qui fut suivi par une série de sièges durant les affrontements entre Armagnacs et Bourguignons. En 1512, pour rembourser la dette du roi, le domaine revint à Louis Malet de Graville jusqu'à sa mort où il fut rendu à Louis XII. Il faisait partie en 1522 de la succession en faveur de François Ier qui le donna en 1526 à sa favorite Anne de Pisseleu, comtesse d'Étampes. Récupéré en 1547 par Henri II, il fut vendu à François de Guise.
En 1567, au cours des guerres de religion, les protestants saccagèrent la ville, le capitaine des forces se réfugia dans le donjon qui fut pris le 17 mai 1591. Il fut alors donné par Henri IV à son surintendant des finances Nicolas Harlay de Sancy qui fit construire les bâtiments accolés aux courtines sud, puis au duc de Sully qui fit combler le fossé entourant le donjon et ajouter les écuries.
En 1611, Louis XIII racheta le château pour le donner à sa mère Marie de Médicis qui fit construire en 1624 un corps de garde pour loger les mousquetaires. En 1652, Louis XIV l'offrit à sa mère Anne d'Autriche, puis en 1672, il revint à Philippe d'Orléans qui le transformé en 1690 en prison royale.
En 1792, le château devint propriété du département français de Seine-et-Oise qui maintint la prison jusqu'en 1819 où elle fut déclassée en prison municipale accompagnée d'un dépôt de militaires jusqu'en 1852, date du rachat par Amédée Guinée, qui le transmet à son cousin Ludovic Guyot, lui-même le laissant à son fils Joseph Guyot. En 1961, sa fille la comtesse Gaillard de la Valdène le vendit en viager à la commune de Dourdan.
Suivit alors une période de restauration, le 9 décembre 1964 le château fut classé aux monuments historiques, en 1972, la tour nord-est fut restaurée, entre 1975 et 1977, les fossés entourant le donjon furent dégagés, entre 1980 et 1982, la toiture et une partie de la façade côté cour furent refaites, suivis entre 1983 et 1984 du donjon, d'une tour d'angle et des courtines et de 1986 à 1987 de la réfection de toutes les façades côté cour, et des meurtrières du châtelet.