A estrutura atual do Castelo de Moncalieri remonta ao século XVII e é o resultado da ampliação de uma antiga fortaleza medieval. Em meados do século XV, o edifício tornou-se a residência de Yolanda de Valois e, mais tarde, em 1475, foi assinado um tratado entre a Duquesa, Carlos, o Temerário, Duque de Borgonha, e Galeazzo Maria Sforza, Duque de Milão.
A partir de 1610, Carlos Emanuel I iniciou as obras de ampliação da antiga casa senhorial, que continuaram sob o reinado de Vítor Amadeu I e da Madame Real Maria Cristina de França. Com a contribuição dos arquitetos Amedeo di Castellamonte, Andrea Costaguta e Carlo Morello, o edifício assumiu a sua configuração atual ao longo de sessenta anos.
Durante o reinado de Vítor Amadeu II, o Castelo foi a sua residência favorita até à sua morte em 1732, que ocorreu após a sua abdicação em favor do seu filho Carlos Emanuel III. Durante o seu reinado, o edifício passou por inúmeros trabalhos de embelezamento sob a direção de Benedetto Alfieri, e estes continuaram também durante o reinado de Vitório Amadeu III, que morreu em Moncalieri em 1796. Mais tarde, sob a direção do arquiteto Francesco Martinez, foram realizados mais trabalhos de restauro no Castelo.
A chegada das tropas francesas trouxe consigo grandes danos ao edifício, que foi utilizado como quartel e hospital militar. Só em 1817, sob o reinado de Vítor Emanuel I, é empreendida uma série de obras de restauro, incluindo a escadaria de três rampas em mármore de Carrara e a cavalaria no fundo do pátio principal. Durante o período do Risorgimento, os apartamentos de Vítor Emanuel II e da rainha Maria Adelaide foram renovados e mobilados de acordo com o gosto eclético da segunda metade do século XIX, que quase apagou completamente os vestígios dos estilos anteriores.
Em 20 de novembro de 1849, a assinatura do Proclama di Moncalieri, assinado por Massimo d'Azeglio, marcou o fim da Câmara dos Deputados e a aprovação do tratado de paz com a Áustria.
Durante a Segunda Guerra Mundial, o Castelo foi ocupado por nazifascistas, partidários e pessoas deslocadas, até que, em 1948, se tornou a sede do 1.º Batalhão de Carabineiros "Piemonte".
Os apartamentos reais foram restaurados e abertos ao público em 1991, mas em 2008 um violento incêndio atingiu uma das torres, tornando necessária uma nova fase de restauro. O complexo não pode ser visitado no momento, mas voltará a ser aberto em 2016.