Un bastion fortifié, poste avancé de la seigneurie de Chaudenay, est installé dans la seconde moitié du 12e siècle sur le site, qui prend le nom de "castrum novum". Jean, fils cadet du seigneur de Chaudenay, s'y installe vers 1175, l’érigeant en seigneurie et prenant le nom de Châteauneuf. De ces premières constructions, seul subsiste le donjon (tour des Châteauneuf), probablement bâti au début du 13e siècle. Le domaine devient rapidement prospère et le château se dote d’une chapelle après 1280. La dernière héritière des Châteauneuf (Catherine) ayant été exécutée en 1456 pour le meurtre de son mari, la seigneurie est confisquée par le duc de Bourgogne Philippe le Bon, qui en fait don à son conseiller Philippe Pot. Ce dernier lance une grande campagne de rénovation qui touche courtines, tours et châtelet d'entrée. Le donjon des Châteauneuf est entièrement reconstruit à partir de 1456 et le "grand logis" est bâti. Un second logis dit "de Philippe Pot" vient compléter l'ensemble, adossé à une nouvelle porte monumentale ouvrant sur l'église. La chapelle dédiée à Notre-Dame et saint Jean est consacrée en 1481.
Les propriétaires suivants, dont les Vienne qui achètent le château en 1627, réaménagent les intérieurs, notamment du grand logis. Ils le dotent, à la fin du 17e siècle, de somptueuses peintures, dont témoignent encore quelques très beaux vestiges. Ils remanient également la façade du grand logis. La famille de Vogüé reprend le domaine au début du 19e siècle, aménageant également les intérieurs à son goût et développant les activités agricoles. Le château est classé au titre des Monuments historiques en 1894 et Charles Suisse entreprend en 1902 des travaux de consolidation. Donné à l'Etat en 1936 par Georges de Vogüé, il fait l'objet dans le dernier quart du 20e siècle d'un réaménagement des salles du premier étage et de plusieurs campagnes de travaux, dont la couverture du logis des hôtes, jusqu'alors à ciel ouvert. Repris par la Région Bourgogne-Franche-Comté en 2008, le château voit se poursuivre les restaurations, avec celle du logis des Hôtes en 2014 qui abrite dorénavant un centre d'interprétation. En 2024, un nouvel accueil est construit en amont du château par les architectes M. Bacot et P. Charpentier, une tour du châtelet d'entrée est restaurée et la cour est requalifiée de façon à permettre l'accès aux personnes à mobilité réduite.
Chargée de recherche au service Inventaire et Patrimoine - Région Bourgogne-Franche-Comté