Un premier château dit "la Motte de la Vieille" est cité au 12e siècle à l'emplacement de l’hôpital actuel. A la mort de Charles le Téméraire en janvier 1477, Louis XI s'empare du duché et du comté de Bourgogne. En 1479, il décide de fortifier Auxonne une fois cette conquête assurée en construisant une citadelle et ainsi d'enrayer de potentielles rebellions de la ville, principe aussi appliqué à Beaune et Dijon avec l'élévation de châteaux.

Construction

Construite au sud-ouest, cette forteresse s'appuie sur une partie de l'enceinte médiévale datant du 14e siècle et des remparts bâtis au 15e siècle le long de la Saône. Une premier tour, Notre-Dame, est édifiée au nord du château puis une seconde, la Tour Haute des Moulins est érigée en lieu et place d'une précédente, la tour des Moulins, démolie. Au nord est ajoutée une porte contrôlant l'entrée de la citadelle depuis la ville, accessible via un pont-levis et defendue par un redan. Le front sud utilise trois tours de l’enceinte existante : la tour de Soone (tour Beauregard), la tour Au Chault et la tour Maître-Jehan qui est agrandie et renforcée (puis nommée tour du Pied-de-Biche). Des courtines sont bâties, reliant les cinq tours du château pour forme, un pentagone. De larges fossés entourent le site. Une seconde porte dite de secours est installée à la tour du Chesne (précédemment tour Au Chault), dotée d'un pont-levis et protégée par un ravelin en forme de fer à cheval (l'équivalent d'une demi-lune). Une rampe située à la gorge de la tour Notre-Dame permettait d'accéder au chemin de ronde. Dans la cour, un bâtiment est construit pour loger le gouverneur de la ville, représentant du roi sur place, des casernes, une prison ainsi qu'un magasin à poudre. Une chapelle est aménagée dans le bâtiment destiné à stocker le sel. Telle est la physionomie du château en 1491. Un registre de comptes tenu par Jean Saumaire, commis aux paiements des châteaux de Dijon, Beaune et Auxonne en 1493, permet de suivre les travaux engagés : "Auxonne. Plancher en bois du grenier de la tour du Moulin. - Réparations aux ponts-levis. - Démolition d'une vieille et antique maison étant audit château pour y établir quatre voûtes en façon de cave et, sur ces voûtes, un corps de maison pour servir de grenier. - Logis faits sur les quatre porteaulx de la ville". Louis XII, au début du 16e siècle, donne l'ordre de renforcer l'enceinte de la ville ainsi que le château. Les courtines de la forteresse sont consolidées, les quatre principales tours dotées de parapets et revêtues d'un toit. Le front faisant face à la ville est renforcé par l'édification d'un nouvel ouvrage : la tour basse des Moulins (angle nord-ouest). Ces travaux entrepris répondent au progrès constant de l'artillerie, nécessitant d’épaissir les murs des ouvrages (6 à 7 m pour la tour Notre-Dame) et de les équiper d'un bossage défensif. En 1637, un ouvrage à corne est aménagé, complétant le système défensif de la porte en direction de la campagne. Vers 1669, la tour basse des Moulins menace de s'effondrer sur les moulins en contrebas. L'ingénieur de Clerville est chargé par Colbert de dresser un plan et prodiguer les instructions pour éviter sa destruction.

Le château et les fortifications construites par Aspremont et Vauban

En 1673, les travaux de modernisation des fortifications auxonnaises projetés par le comte d'Aspremont intègrent le château, le solidarisant aux nouveaux ouvrages conçus. L'ingénieur militaire crée un front bastionné côté campagne. L'ouvrage à corne aménagé en 1637 est remplacé par une demi-lune à parapets maçonnés et remplie de terre. Le plan relief d'Auxonne montre qu'un pont permet d'enjamber le fossé situé entre le ravelin et la demi-lune. Parallèlement à la Saône, un demi-bastion est établi. En 1679, Vauban prend la direction du chantier après la mort d'Aspremont. Il améliore le projet de son prédécesseur, le tout annoté dans un mémoire en février 1679. il décide d'ajouter un batardeau dans l'avant fossé du demi-bastion, équipé d'une porte de sortie, d'un corps de garde en son centre et d'une batterie "en barbe" à sa pointe. Vauban demande aussi de terminer au plus vite les parapets, le terre-plein, et de creuser davantage le fossée de la demi-lune et d'y édifier un corps de garde et une montée à un ou deux canons pour la batterie " en barbe". Le ravelin est restauré : les deux faces déblayées pour installer des contreforts, le terre-plein et les parapets refaits et un petit corps de garde aménagé. En 1688, l'ingénieur militaire fait restaurer l'ensemble des chemises des tours et fondations des courtines du château ainsi que les parapets (plan conservé au Service Historique de la Défense). Il a pour projet d'établir une nouvelle chapelle ainsi qu'une caserne dans les bâtiments de la cour. Seul cette dernière sera réalisée. La chapelle, d'après des plans conservés par le service du Génie, a pu être installée dans un ancien magasin à poudre, au centre de la cour. Par contre, ni le comte d'Aspremont ni le marquis de Vauban ne préconisent de construire une courtine entre le demi-bastion et celui du Moineau. L'annexion de la Franche-Comté en 1678 fait perdre à Auxonne son statut de ville frontière et entraîne un arrêt des travaux des fortifications de la cité, seuls les ouvrages entamés devant être finis. Au 18e siècle, aucune amélioration n'est apportée au château. Vers 1762, la direction du Génie décide néanmoins de restaurer l'ensemble des casernes car elles sont dans un état de délabrement avancé.

19e siècle : les dernières transformations

En 1826, une courtine casematée est construite sur le front sud du château et permet de relier le bastion du Moineau au demi-bastion. Le projet initial prévoit l'installation d’écuries adossées à la galerie de la courtine, option non retenue. De cette proposition, seule une ouverture est conservée, donnant accès à la porte de secours de la forteresse. Un autre projet , sans suite, envisage de détruire l'ensemble des bâtiments au sein de la cour pour y installer des écuries et des hangars pour l'artillerie. En 1831, la tour du Chesne est détruite ainsi que le petit mur (ancienne braie) qui doublait ce front. La chapelle Sainte-Barbe est également démolie. Avec cette transformation, le rempart est repris pour qu'il soit parallèle à la courtine casematée. Le fossé est comblé. Des caveaux voûtés en pierre sont mis en œuvre aux tours Beauregard et des Moulins en 1832. L'entrée principale est remodelée avec la suppression en 1833 du redan défendant l’accès au château, remplacé par une levée de terre de 6 m. Un pont en bois sur des piles en maçonnerie est aussi édifié. Le rempart attenant à la poterne d’entrée est modernisé : le haut du mur est crénelé et trois embrasures à grand angle sont créées. En 1834, la tour Beauregard est intégrée dans un bastion à l'image de celle du Cygne. La tour du Pied-de-Biche est arrasée d'un étage. Enfin, le directeur du Génie autorise "de placer la machine d'un manège pour moudre" au rez-de-chaussée dans la tour haute des Moulins. Au front ouest, une galerie voutée est construite (adossée au bâtiment des casernes), reliant la tour basse des Moulins au bastion de la tour Beauregard (réalisée en 1838 comme l'indique la date gravée).

Ces derniers travaux donnent au château sa configuration actuelle. Après le déclassement de la ville d'Auxonne, les casernes de la cour accueillent une garnison. Un hôpital provisoire est installé entre 1914 et 1918. En 1926, la forteresse est protégée au titre des Monuments historiques. La municipalité achète les lieux en 1961 et décide quatre ans plus tard de faire démolir les anciennes écuries dans la cour du château. A partir de 1970, la tour Notre-Dame est transformée en musée dédié à Bonaparte, figure emblématique de la cité. Ce musée ferme en 2013 dans l'attente d'un nouveau lieu plus approprié.