La première mention du château se trouve dans une charte du début du XIIe siècle, où Hugues II seigneur de Châteauneuf- en-Thimerais, confirme aux moines de St-Père de Chartres leurs possessions à Senonches concernant l’église et ses revenus. Cette charte précise que c’est Hugues II qui fit construire ce château, à l’emplacement d’un précédent complètement ruiné, ainsi que les fortifications entourant le bourg. Les premières fortifications étaient de terre et restent visibles parallèlement à la rue de l’Ecole (parc de la Pomme de Pin) et sous les remparts du château.
Hugues II hérite de l’administration des domaines à la mort de son père Gervais 1er dont le Thimerais. Vers 1140, il reconstruit le château de Senonches dont il ne reste que la tour-porche (classée Monument Historique en 1923), quelques éléments du rempart et une partie de la courtine.
À l’extinction de la baronnie du Thimerais à la fin du XIIIe s, il tombe sous la tutelle des Comtes qui deviennent Ducs d’Alençon. En 1525 et jusqu’en 1654, la famille Gonzague-Mantoue en prend possession par héritage.
Louis IV de Gonzague, noble italien naturalisé français hérite des seigneuries de Senonches et de Brezolles à la mort de sa grand-mère, Anne d’Alençon. Il épouse Henriette de Clèves, héritière du Duché de Nevers. En remerciement des services rendus à la Couronne, le roi de France Charles IX érigea les terres de Brezolles et de Senonches en principauté française de Mantoue au profit de Louis IV de Gonzague-Mantoue. C’est pourquoi en 1566, Senonches acquiert son blason, qui est celui de Mantoue.
Le corps de logis a certainement été reconstruit à l’initiative de cette famille. Il sert de logis pour le seigneur mais également de salle de justice. Une prison est aménagée comprenant deux salles voûtées et une petite pièce.
En 1654, Charles de Mantoue met fin à la seigneurie Gonzague et vend Senonches à François-Marie de Broglie, comte de Revel en Piémont. En 1667, il est revendu à Henri-Jules de Bourbon Enghien, fils du Grand Condé. Sa fille, Marie-Thérèse de Bourbon Conti en hérite, puis c’est au tour de Marie-Adélaïde de Bourbon Conti d’en prendre possession à la mort de sa mère en 1719. Son neveu, Louis-François de Conti lui succède en 1770 et transmet Senonches à Louis XV. Ce dernier le donne en apanage à Louis-Xavier dit « Monsieur », duc d’Anjou, comte du Maine, du Perche et d’Anjou, frère de Louis XVI et futur Louis XVIII.
En 1790, le château est vendu comme bien national à Louis Canuel, maître des forges de Dampierre-sur-Blévy. En 1831, son héritier ou associé, Auguste Adrien Goupil, le lègue à la commune. Ce don est assorti d’une obligation : il demande à ce que s’installent une école, un logement pour l’instituteur, une salle de mairie et un lieu de justice. Dès 1832, une école de garçons est construite dans la cour du château et agrandie en 1888 dans le style « Jules Ferry ».
En 1844, une brigade de gendarmerie à pied est créée et occupe le corps de logis et une partie du donjon.
Dès lors, tout ce petit monde se côtoie jusqu’en 1963.
En 1974, la commune confie la gestion du château à l’Association du Château qui ouvrira un musée dans le corps de logis et l’ancien préau.
Dès 2005, de vastes travaux de restauration sont entrepris pour l’ouverture au public d’un centre d’interprétation du patrimoine sur la Forêt et l’Homme.