Jusqu'en 1993, chacun supposait que le château de Mayenne avait été fondé au XI siècle. À cette époque, eut lieu le grand développement des seigneuries qui vit naître, notamment, les châteaux de Laval et de Château-Gontier. Des travaux intérieurs, effectués en juillet 1993 sous le contrôle de Jacques-Henri Bouflet, architecte des Bâtiments de France, font apparaître des arcades en briques cachées sous les enduits. Ce mode de construction est inconnu au XI siècle dans la région. Les premiers sondages archéologiques ont révélé la possibilité d'une date plus ancienne, c'est-à-dire l'époque carolingienne (VIIIe siècle-Xe siècle).
S'il existe des églises carolingiennes en Europe, les bâtiments civils ou militaires conservés de cette époque sont extrêmement rares. C'est pourquoi le site a été décrété "Site d'intérêt national".
L'étude menée, de 1996 à 1999, par l'équipe d'Oxford Archaeological Unit et par l'Université du Maine confirme la datation carolingienne du château. En effet, le plus ancien bâtiment de pierres a été élevé vers l'an 900.
En 2000, la ville adopte un projet de mise en valeur des architectures carolingiennes découvertes dans le château. Ce projet inclut la renaissance du musée, qui sera consacré à l'histoire de Mayenne et qui accueillera une antenne du musée archéologique départemental.
De la découverte d'un monument carolingien de première importance, à Mayenne, est née l'idée de créer un espace muséographique consacré aux collections du Moyen Âge, ouvert au cours du 2 semestre 2008. Il est intégré au Pays d'Art et d'Histoire avec les sites de Jublains, Evron, Sainte-Suzanne et Saulges.
