A kastély a Cher folyó medrére épült egy hajdani erődített malom és a Marques család által megvásárolt aprócska erőd alapjain.
Ez utóbbit, a körbástya és a mellette található kút kivételével, lerombolták.
Az eredeti kastélyt képező négyszögletes lakóépület-együttest 1513 és 1521 között építette Thomas Bohier. Mivel őt lefoglalta a háború, főleg felesége, Catherine Briçonnet irányította a munkálatokat.
Bohier VII. Károly adószedője, majd pénzügyeinek főintendánsa volt.
Thomas Bohier halálakor egy pénzügyi ellenőrzés kiderítette, hogy gondatlanul járt el, ami lehetővé tette I. Ferencnek, hogy az örökösökre súlyos büntetést rójon ki, megszerezve így a birtokot és a kastélyt (1535).
II Henrik híres kegyencnőjének, Diane de Poitiers-nak, Valentinois hercegnéjének ajándékozta.
Ő építtette Pacello da Mercoliano-val a nevét viselő kertet a Cher jobb partján, s bízta meg a kastély eredeti építészét, Philibert de l’Orme-ot, hogy építsen hidat a kastély és a Cher bal partja közé, ahol újabb kerteket alakíttatott ki.
Miután 1559-ben, egy lovagi tornán, Gabriel de Montgomery, a skót gárda kapitánya halálosan megsebesítette II. Henriket, felesége, Medici Katalin lett a régens, aki arra kényszerítette riválisát, Diane de Poitiers-t, hogy visszaadja Chenonceau-t a koronának.
Mint anyakirályné, fiai, II. Ferenc, IX. Károly és III. Henrik trónralépését követően, Medici Katalin Diane hídjára egy szép folyosót építtetett, megadva Chenonceau-nak azt a stílust, melyet ma is csodálunk.
XIV. Lajos 1650. július 14-i látogatása után egy helyiséget a Napkirályról neveztek el.
A kastély történetét általában nők jegyzik, akik tulajdonosai és építői voltak.
Közöttük található Louise de Lorraine, III. Henrik felesége, akinek második emeleti szobája az 1589-ben meggyilkolt férje iránti gyászát viseli magán.
Egy helyiség Medici Katalin lányainak és lányunokáinak lett szentelve: „az öt királyné szobája" (Stuart Mária, Medici Mária, Louise de Lorraine, Erzsébet francia királyné
és Valois Erzsébet).
Claude Dupin, királyi főadóbérlő 1733-ban megvásárolta a kastélyt Bourbon hercegétől.
Második felesége, Louise Dupin, fényes szalont tartott fenn; olyan hírességeket fogadott ott, mint Voltaire, Fontenelle, Marivaux, Montesquieu, Buffon és Rousseau.
Az ingatlan 1864-ig maradt a Dupin család birtokában, amikor is Marguerite Pelouze vásárolta meg.
Az 1913-ban Henri Menier birtokába került kastély ma az ő leszármazottjainak tulajdonában van, de nyitva áll a látogatók előtt.