Le château à proprement parler fut construit dans un style Renaissance à partir de 1509 sous l'impulsion du propriétaire des lieux, Jean Cottereau, le trésorier surintendant des finances sous Louis XII  , puis sous François I^er et Henri II.

À sa mort en 1530, il le laisse en héritage ainsi que les terres environnantes à Jacques d'Angennes, seigneur de Rambouillet, son gendre.

Son fils Louis en hérite en 1562 et devient baron de Maintenon ; ses héritiers vendent la propriété au marquis de Villeroy d'Angennes.

Le 27 décembre 1674, Françoise d’Angennes, épouse Odet de Riantz, marquis de Villeroy, héritière de Charles François d'Angennes, vend son château et le titre de Maintenon pour 150 000 livres à la veuve du poète Scarron, dame Françoise d'Aubigné qui devient ainsi marquise de Maintenon.

Dès lors, le château s'agrandit et s'embellit par de grands travaux financés par le roi et devient un château quasi-royal. Le parc fut dessiné par Le Nôtre.

Racine y vint souvent méditer, tandis que c'est à Vauban que l'on doit l'aqueduc qui ne fut pas terminé du fait des guerres et du paludisme, et les travaux étant abandonnés en 1688. L'édifice, qui devait comprendre trois rangées d'arcades superposées, était destiné à amener les eaux de l'Eure depuis sa source jusqu'à Versailles.

Le domaine passa ensuite dans la famille de Noailles grâce au mariage de Françoise-Amable d'Aubigné, nièce de la favorite puis épouse morganatique , avec le duc d'Ayen, Adrien Maurice, fils du maréchal de Noailles.

En 1830, Charles X, déchu, y coucha sur le chemin de l'exil.

À l'automne 1926 Georges Clemenceau, après y avoir déjeuné, écrivit à son amie la comtesse d'Aunay, faisant probablement allusion à un portrait de M^me de Maintenon :

"Mme de M. (il écrit par erreur Montespan) avait un petit air difforme et non pas altier figure que lui prêtent nos historiens

Vers 1950, le bureau du duc de Noailles quitta le château pour entrer dans la collection d'art d'Élie de Rothschild (1917-2007) et de son épouse, née Liliane Fould-Springer

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