Dès l’an mille, un château fort construit en bois est attesté. Ce château féodal devient la résidence de villégiature des ducs de Lorraine à partir du XIIIe siècle.
Au début du XVIIe siècle, le duc Henri II démolit l’ancien château et en construit un nouveau, plus moderne. Celui-ci fut très endommagé lors de la Guerre de Trente Ans (1618-1648).
En 1702, la ville de Nancy est occupée par les troupes de Louis XIV. Léopold Ier, duc de Lorraine, se réfugie à Lunéville. Le château devient dès lors sa résidence officielle. Afin d’asseoir son prestige, il a souhaité le reconstruire. Les travaux ont débuté en 1701 pour s'achever en 1723. L’architecte choisi par Léopold est Germain Boffrand, élève de Jules Hardouin-Mansart, le célèbre architecte du château de Versailles. Lunéville devient dès lors le « Versailles lorrain ».
En 1737, Stanislas reçoit les duchés de Lorraine et de Bar et s’installe avec sa cour au château de Lunéville. Le nouveau duc ne touche pas au château mais il décide d’embellir les jardins par la construction de fabriques, sorte de petits pavillons exotiques. Il fait appel à Emmanuel Héré, son « premier architecte » qui devait quelques années plus tard édifier à Nancy l'actuelle place Stanislas. À la mort de Stanislas en 1766, les duchés lorrains sont rattachés au royaume de France. Le château accueille dès lors de prestigieux régiments de cavalerie jusqu’au début du XXe siècle. Lunéville est alors appelée « la cité cavalière ».
En 2000, le Conseil Départemental de Meurthe-et-Moselle devient propriétaire du château. Mais dans la nuit du 2 au 3 janvier 2003, le château est ravagé par les flammes. Depuis, un long travail de restauration s’est engagé pour rendre à l'édifice son ancienne splendeur.
