A la fin du Xe siècle ou au début du XIe siècle, le seigneur de Montlhéry, Thibaut dit " File d'Etoupe ", érige sept tours sur les buttes de Gournay, Bréthencourt, Rochefort, Chevreuse, Châteaufort, Gometz et Montlhéry. Cette ligne de défense lui permet de surveiller les voies de communication entre Paris, Orléans et Chartres.

Si la famille de Chevreuse apparaît dans les textes en 1024 et la seigneurie à partir de 1064, le château, dont la date de construction n'est pas connue, n'est mentionné qu'en 1108, avec le récit de son siège raté par le roi Louis VI le Gros. Toutefois, le long règne de Guy Ier, seigneur de Chevreuse (1030-1090), et plusieurs indices archéologiques (dont une monnaie datant de 1030-1040) permettent de proposer la deuxième moitié du XIe siècle.

Après le décès de Gui IV, en 1263, et de son fils Hervé cinq ans plus tard, Hervé de Maincourt, frère de Gui IV, hérite du château et le transmettra à son fils Anceau.

En 1306 et 1308, le roi Philippe IV le Bel loge à Chevreuse.

En 1366, pour payer sa rançon, Ingerger d'Amboise, fils de Jeanne de Chevreuse, fait prisonnier à la bataille de Poitiers (septembre 1356), vend ses terres et le château à Pierre de Chevreuse, conseiller de Charles V. Ce nouveau propriétaire fera réaliser de grands travaux.

En 1417, les Anglais et leurs alliés bourguignons s'emparent de Chevreuse. Ils en seront chassés la même année par Tanguy du Chatel, prévôt de Paris. Après la prise de Paris par les Bourguignons, Chevreuse retombe en leur possession. La place sera rendue à Charles VII en 1436. Elle est remise en fief, deux ans plus tard, à Nicolas de Chevreuse. Lorsque celui-ci se révolte, Louis XI la lui confisque et fait démanteler le château.

Vers 1551, le cardinal Charles de Lorraine achète Chevreuse et son neveu, Henri de Guise, devient duc de Chevreuse. Durant les guerres de Religions, le château est occupé par les partisans du duc de Guise, puis attaqué et investi, en 1588-1589, par les troupes du roi Henri III. En 1657, Louis-Charles d'Albert, duc de Luynes, hérite du château au décès de Claude de Lorraine, duc de Chevreuse. Il est le fils, d'un premier lit, de Marie de Rohan-Montbazon, duchesse de Chevreuse.

En 1661, Jean Racine (plus connu pour son œuvre de tragédien que comme contremaître) surveille quelques travaux de réfection au château pour le compte du duc de Luynes.

En 1694, le château devient la propriété de la maison royale de Saint-Louis. Ses religieuses, les " Dames de Saint-Cyr ", entreprennent en 1703 et 1732-1733 de gros travaux sur le donjon. Elles lui donneront son aspect actuel.

Au moment de la Révolution (1793), le château est vendu comme bien national à un meunier. Une trentaine d'années plus tard, le château est transformé en exploitation agricole. En 1852, le duc de Luynes le rachète. Ses héritiers en conserveront la propriété jusqu'en 1978. Le département des Yvelines achète le château en 1981 et entreprend de le restaurer à partir de 1987. Il sera ouvert au public en 1992.

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