L'installation actuelle du château de Moncalieri remonte au XVIIe siècle et est le résultat de l'agrandissement d'une ancienne forteresse médiévale. Au milieu du XVe siècle, le bâtiment devint la demeure de Yolande de Valois, et plus tard, en 1475, un traité fut signé entre la duchesse, Charles le Téméraire, duc de Bourgogne, et Galeazzo Maria Sforza, duc de Milan.
À partir de 1610, Charles-Emmanuel Ier a commencé les travaux d'agrandissement de l'ancien manoir, qui se sont poursuivis sous Victor-Amédée Ier et la Reine Marie-Christine de France. Avec l'aide des architectes Amedeo di Castellamonte, Andrea Costaguta et Carlo Morello, le bâtiment a pris sa forme actuelle au cours de soixante ans.
Sous le règne de Victor-Amédée II, le château fut sa résidence préférée jusqu'à sa mort en 1732, après l'abdication en faveur de son fils Charles-Emmanuel III. Au cours de son règne, le bâtiment subit de nombreux travaux d'embellissement sous la direction de Benedetto Alfieri, qui se poursuivirent également sous le règne de Victor-Amédée III, qui mourut à Moncalieri en 1796. Par la suite, sous la direction de l'architecte Francesco Martinez, d'autres travaux de restauration furent effectués au château.
L'arrivée des troupes françaises a causé d'importants dommages au bâtiment, qui a été utilisé comme caserne et hôpital militaire. Ce n'est qu'en 1817, sous Victor-Emmanuel Ier, qu'une série de travaux de restauration furent entrepris, dont l'escalier à trois rampes en marbre de Carrare et le manège au fond de la cour principale. Pendant la période du Risorgimento, les appartements de Victor-Emmanuel II et de la reine Marie-Adélaïde ont été réaménagés et meublés selon le goût éclectique de la seconde moitié du XIXe siècle, qui a presque complètement effacé les traces des styles précédents.
Le 20 novembre 1849, la signature de la Proclamation de Moncalieri, contresignée par Massimo d'Azeglio, marqua la fin de la Chambre des députés et l'approbation du traité de paix avec l'Autriche.
Pendant la Seconde Guerre mondiale, le château fut occupé par les nazis-fascistes, les partisans et les personnes déplacées, jusqu'à ce qu'il devienne en 1948 le siège du 1er bataillon de carabiniers « Piémont ».
Les appartements royaux ont été restaurés et ouverts au public en 1991, mais en 2008, un violent incendie a frappé l'une des tours, nécessitant une nouvelle phase de restauration. Le complexe ne peut pas être visité pour le moment, mais il le sera à nouveau d'ici 2016.