Montlhéry fait sa première apparition connue dans un écrit en 768, en effet Pépin le Bref fait une donation à l’Abbaye de Saint-Denis du «  Mons Aetricus ».

774, Charlemagne confirme la donation.

Montlhéry est échangée et entre dans le domaine des évêques de Paris.

Vers 991, Thibaud File-Etoupe ,premier comte de Montlhéry, devient le premier seigneur connu du lieu par sa charge de forestier pour Robert Ier, il fortifie la butte d'une motte castrale, en contrebas du château actuel. La motte castrale était composée d'une tour de bois protégée par une enceinte, la fortification fut terminée vers 1015.

Gui Ier de Montlhéry, épousa Hodierne de Gometz, dame de Gometz et de La Ferté . C’est probablement Gui Ier qui édifia le premier château de pierre sur l’emplacement d’aujourd’hui. Il bâtit également le prieuré Saint-Pierre et l'église Notre-Dame, sa femme édifia le monastère de l’Abbaye Longpont.

Milon Ier de Montlhéry devint vicomte de Troyes et Gui Ier de Rochefort devint comte de Rochefort.

1096, Milon Ier et son fils Gui II, son frère Gui de Rochefort et son neveu Hugues de Crécy partent pour la Première Roi.

1104, Gui Trousseau, appelé aussi « Troussel » qui veut dire « le  détrousseur », fuit devant Antioche et fini  déshonoré. Il fut également contraint d'abandonner son château au Roi en échange du mariage de sa fille Élisabeth de Montlhéry, héritière du château, avec Louis un des fils du Roi. Selon Suger, Philippe Ier, aurait dit à son fils « Enfant Louis, sois bien attentif à bien conserver cette tour, d’où sont parties les vexations qui m’ont presque fait vieillir ». Philippe Ier est inhumé dans l’abbaye de Fleury à  Saint-Benoit sur Loire.  .

1106, le dauphin Louis , futur Louis VI, est en lutte continuelle pour la terre de Montlhéry.

1118, des seigneurs d’Île-de-France se coalise en faveur d’Henri Ier d’Angleterre contre le Roi de France. Hugues enlève Milon et l'assassina dans son château de Châteaufort. Après la déroute de la coalition , les terres sont confisquées et entrent dans le domaine Royal.

1144, Louis VII de France séjourna à plusieurs reprises avec son ministre Suger, il y ratifie plusieurs chartes.

Philippe-Auguste y séjourne régulièrement, il est probablement l’édificateur du château actuel, même si aucun élément ne permet de l’affirmer clairement. Des indices cependant sont présents, comme la base talutée des tours , un donjon circulaire de l’extérieur et hexagonale à l’intérieur.

1227, le Roi Saint-Louis, Louis IX se réfugia au château devant les risques d'enlèvement au château d’Étampes et devant la coalition contre la régente.

1254, Saint-Louis à son retour de Roi fait édifier la chapelle Saint-Laurent. 

1311, le comte de Flandre, Louis Ier de Flandre, dit Louis de Dampierre, Louis de Nevers ou Louis de Crécy, y fût emprisonné.

1350, Jean dit Le Bon, réside régulièrement au château .

1356, le dauphin Charles, futur Charles V, y fait une ordonnance pendant la captivité de Jean le Bon.

1358, les Anglais d’Édouard III tentent de prendre le château, en vain.

1360, nomination d'un nouveau prévôt par Charles VI.

1382, Olivier de Clisson restaure le château probablement endommagé pendant les sièges successifs. Il aménage probablement les étages supérieurs de la tour maîtresse.

1409, les Armagnacs prennent le château.

1413,  le duc de Bourgogne Jean sans Peur le prend aux Armagnacs.

1418, il est chassé par le prévôt de Paris Tanneguy III du Chastel, c’est d’ailleurs ce dernier qui tue le duc de Bourgogne au Pont de Montereau - Assassinat de Jean sans Peur en 1419.

1423, le château tomba entre les mains de Jean de Lancastre jusqu'en 1436 où elle revint à Charles VII.

1465, 16 juillet,  Louis XI utilise le château au cours de la bataille de Montlhéry contre le duc de Bourgogne Charles le Téméraire. C’est dans cette bataille que Louis XI fit le vœu de Montlhéry lié à la Basilique Notre-Dame de Cléry, Cléry-Saint-André et que Pierre de  Brézé , seigneur du château de Brissac , meurt pour sauver le roi.

1529, François de Pérusse d’Escars, seigneur de La Vauguyon,  devint comte de Montlhéry par François Ier qui lui vend la seigneurie avec préemption de rachat.

1547, le 23 mars, le chancelier François Olivier, seigneur de Leuville, qui achète la châtellenie signale qu’il y  a d’importante restaurations à prévoir.

1562, Louis Ier de Bourbon-Condé prend le château qui  en devient le quartier-général des Calvinistes, cette prise accéléra probablement la ruine du château déjà bien entamée.

1585, Henri III ordonne aux habitants d’entreprendre des réparations au château et des fortifications de la ville.

1590, 5 avril,  Henri IV séjourna une dernière fois au château.

1591, les habitants demandent la neutralité de la forteresse, alors incapable d’y mettre une garnison, c’est donc le gouverneur de Paris qui décide  son démantèlement à l'exception du donjon.

Le château est alors utilisé en carrière de pierre.

1603, Jérôme Lemaistre, seigneur de Bellejambe, se voit accordé l’autorisation d’utiliser le château pour y prélever des pierres pour la construction de sa maison à Marcoussis.

1697, un procès verbal signale le château comme étant « hors d’état de pouvoir être réparé ».

En 1764 et 1772, Philippe de Noailles, comte de Montlhéry établit un procès verbal stigmatisant l'état de délabrement du château.

1767-1771, Les fossés furent sont comblés et transformés en jardins.

1822, François Arago, professeur d’astronomie à l’Observatoire de Paris, est accompagné de Louis r5xdeph Gay-Lussac et Urbain Le Verrier. Ils calculent la vitesse du son, sur une théorie de Laplace, en tirant plusieurs coups de canon du sommet de la tour par nuit noire, visible et entendu à l'observatoire de Villejuif.

1823 fut installée un télégraphe optique de Chappe au sommet de la butte, visible depuis Fontenay-aux-Roses et Torfou.

1842, 5 avril,  l'État prit possession de la tour qui fut classée monument historique. Henri Labrouste entreprit la réfection de la tour et aménagea la terrasse jusqu'en 1846.

1874, 5 juin,  Alfred Cornu mesura à son sommet la vitesse de la lumière depuis l'observatoire de Paris et établit la vitesse de la lumière à 300 400 km/seconde.

1889, Garrez, ajouta les passerelles et la grille d'entrée.

1914, 7 mai, Defieber y testa un modèle de parachute.

1934, 20 juin, la foudre endommage la tour.

2012, après plusieurs années de fermeture la tour est ré-ouverte à la visite.