Bien que la présence humaine soit attestée sur les bords du lac à l'époque néolithique (villages lacustres), puis dans la plaine des Fins du Ier au Ve siècle apr. J.-C. (vicus gallo-romain de Boutae), c'est au pied de la montagne du Semnoz, surplombant les rives du Thiou, que va s'édifier le château.

Autour du site primitif (en 1132, plusieurs familles sont propriétaires d'édifices appartenant au réseau défensif de la ville), les comtes de Genève, chassés de leur capitale des bords du lac Léman vers 1150, vont façonner le château que nous connaissons aujourd'hui : tour de la Reine, probablement construite dans la seconde moitié du XIIIe siècle, réfection du Vieux Logis vers 1340 suite à un incendie (" une grande chambre rouge située derrière la grande salle du château " est mentionnée en 1251), tour Saint-Pierre citée en 1340, tour Saint-Paul citée en 1380, tour du Trésor signalée en 1392.

Après le décès de Robert, dernier représentant des comtes de Genève, le château est acquis par la Maison de Savoie au début du XVe siècle. Deux nouveaux incendies (1403 et 1412) vont endommager l'édifice et nécessiter une nouvelle campagne de réfection. Le comte Amédée VIII, en 1430, fait reconstruire la façade du logis et les deux tours l'encadrant (Saint-Pierre et Saint-Paul). Ses descendants poursuivent l'édification du château : Philippe ou Louis, la tour Perrière en 1445 et Janus, l'achèvement du Vieux Logis, la surélévation de la tour de la Reine en 1469 et la construction du logis Perrière en 1487.

Charlotte d'Orléans, veuve de Philippe -comte de Genevois et duc de Nemours- fait édifier au siècle suivant (1539) le logis Nemours. Ce même siècle voit la construction du chemin de ronde avec échauguette surplombant la porte d'entrée (1564) et du logis Neuf à des fins de casernement (entre 1562 et 1571).

A la mort d'Henri II, dernier duc de Genevois et de Nemours, en 1659, le château perd sa fonction résidentielle. Abandonné au XVIIIe siècle, il est utilisé comme casernement militaire jusqu'en 1947. Acquis par la ville en 1953, son musée ouvre ses portes trois ans plus tard.