La forêt de Vincennes est, au XIIe siècle, le domaine de chasse royal priviligié des rois de France. Louis VII y fait aménager en 1150 un pavillon de chasse. Philippe Auguste fait de ce pavillon de chasse, une véritable résidence royale. Dès lors, le château connaît de nombreux travaux et agrandissements, notamment sous le règne de Charles V, au XIVe siècle. Celui-ci fait construire le donjon, haut de 50 mètres, et le château est de ce fait considéré comme l’une des plus haute forteresse médiévale d’Europe. Il rajoute également une enceinte monumentale, et une muraille avec un chemin de ronde.
Par ailleurs, les reliques de la couronne d'épines qui étaient conservées à Vincennes ayant été transférés à la Sainte-Chapelle de Paris, les travaux d'édification d'une nouvelle chapelle furent confiés à Raymond du Temple et débutèrent en 1379. La Sainte-Chapelle de Vincennes devait recevoir un fragment de la relique demeurée à Vincennes. À la mort de Charles V en 1380, Charles VI donna l'ordre de poursuivre les travaux, qui furent plusieurs fois interrompus. Lorsque Louis XI fit de Vincennes sa résidence, il quitta les appartements royaux du donjon pour un pavillon neuf de plain-pied, édifié en 1470 dans l'angle sud-ouest du château. Il relance également le chantier de la Sainte-Chapelle.
François Ier, grand amateur d’art, et ses successeurs Henri II, François II et Charles IX continuent les travaux de constructions et d’embellissement du château, dont la Saint-Chapelle, achevée par l’architecte Philibert Delorme en 1552. Louis XIV fait construire par l’architecte Louis Le Vau les ailes du Roi et de la Reine. La résidence royale est par la suite abandonnée, au profit de Versailles.
Le donjon est aménagé en prison d’État. De nombreuses personnalités s’y succèdent, dont le cardinal de Retz, Fouquet, le Marquis de Sade, Voltaire et Mirabeau.
Suite à la Révolution de 1789, il connaît encore de nombreuses modifications, la destruction des restes de l’ancien pavillon de chasse, et la construction de bâtiments à destination militaire. Au XIXe siècle, il protège la capitale de toutes les invasions extérieures et devient ainsi un symbole de l’État moderne.