Une villa rustica, la villa Johannis était implantée à l'emplacement actuel du château depuis l'époque gallo-romaine.
En 1216 y fut implanté une ferme fortifiée. Vers 1502, un premier château fut édifié, composé d'une basse-cour équipée de bâtiments agricoles et d'un donjon, entourés d'une enceinte flanquée de quatre tours. Le domaine appartenait alors à la famille Fourquaud, avocats et procureurs au Parlement de Paris, et seigneur de Villegenis et de Villemoisson. En 1575, le domaine passe à la famille de Vigny, qui agrandit le domaine avec les terres d'Igny et Gommonvilliers. En 1616, c'est Bertrand de Solly qui achète le domaine relevant de la baronnie de Macy, puis en 1618, c'est Charles Levoyer qui l'acquière. En 1643, il revient à Étienne de Vigny, en 1651 à Pierre d'Albertas, Chevalier de Ners et Gémenos, en 1688, c'est Guy Carré de Montgeron qui en prit possession, avant de le rendre à Henry Renaud d'Albertas, héritier de son oncle.
En 1719, Claude Glucq, magistrat et industriel racheta le domaine complet qui comportait alors une maison bourgeoise et une ferme. Il décora la maison d'œuvres d'art de Watteau (dont L'Enseigne de Gersaint) et Alexandre-François Desportes, il agrandit le domaine et fit construire une chapelle. En 1741, c'est le Claude Pierre Marquis de Sabrevois qui achète l'ensemble du domaine, qu'il revendit en 1744 à Élisabeth-Alexandrine de Bourbon, fille de Louis III de Bourbon-Condé et de Louise-Françoise de Bourbon. Elle le fit reconstruire, décorer par Alexandre-François Desportes et Nicolas Coustou et entourer d'eau vive.
En 1765, il revint à Louis V Joseph de Bourbon-Condé qui fit replanter le parc, redessiner l'entrée du château et reconstruire les communs en 1774, aménager une glacière. En 1787, il fut donner à Louise-Adélaïde de Bourbon-Condé qui hérita d'un domaine de 455 hectares. En 1789, il fut pillé, le 18 août 1795, il fut vendu à M. Detmar-Basse qui y installa une filature textile puis il revint en 1806 à François Duprey-Blampain.
En 1823, Charles Arnoult Delorme fit démolir le château pour construire le Passage Delorme, il édifia à la place une maison bourgeoise décorée par Jean-Auguste-Dominique Ingres. En 1852, le prince Jérôme Bonaparte acheta le domaine, agrandit la demeure dans le Style Empire et les communs, fit construire des écuries, augmenta la superficie du parc jusqu'au cours de la Bièvre qu'il fit creuser pour former deux lacs, dont un présentant la forme du bicorne à la cocarde de son frère Napoléon Ier. En 1860, c'est son fils Napoléon Joseph Charles Paul Bonaparte qui en hérita, il le vendit en 1865 au peintre André Giroux qui le légua à son gendre Louis Eugène Bazin-Giroux.
En 1906, le château fut acheté par l'homme d'affaires américain William Ellis Corey en cadeau de mariage pour son épouse la cantatrice Mabelle Gilman. Après leur divorce, elle garda le château et y reçut son amant, l'infant d'Espagne Louis-Ferdinand d'Orléans. Au sortir de la Première Guerre mondiale, le château servi de maison de convalescence pour les officiers américains.
Du 14 juin 1940 au 28 juin 1941, l'état-major des unités de cavaleries de la SA s'installèrent au château, ils revinrent un juillet 1944 avant leur reddition en août 1944 obtenu par le commandant La Perrière de la 2e Division Blindée. Dès 1945, l'Armée de l'air réquisitionna le château, en 1946, Air France entama des négociations avec la famille Corey pour acheter le domaine mais ce fut finalement l'État par l'intermédiaire du ministère des Travaux publics qui acheta le tout et construisit les premiers baraquements, avant de prononce l'expropriation le 24 août 1950.
En 1951, le centre obtint son autonomie administrative et financière, dès 1952 s'installa le centre de formation du personnel navigant technique. Le 14 avril 1953, Air France régla les indemnités d'expropriation aux anciens propriétaires. En 1961, Air France laisse à l'État une partie des terrains pour y implanter le futur lycée polyvalent du Parc de Vilgénis. Le 30 avril 1963, l'État cède définitivement à Air France le terrain et les dépendances soit une superficie de soixante-huit hectares. Entre 1969 et 1970, le château fut restauré, le perron, la véranda et le balcon de la façade nord furent supprimés. En 1974, Air France eut le projet d'abattre les communs pourtant inscrits aux monuments historiques depuis le 18 juin 1948 mais y renonca, finalement, le 23 septembre 1977 ils furent à nouveau inscrits accompagnés du château.