Le jeune Dauphin (futur Louis XIII) est amené à Versailles le 24 août 1607, pour sa première chasse. Il y revient en 1621 et fait élever en 1624 un petit relais de chasse. Il achète le domaine en 1632, à Jean-François de Gondi (archevêque de paris et seigneur de Versailles) et fait rebâtir son pavillon de chasse en brique, pierre et ardoise, par l’architecte Philibert Le Roy.
Dix-huit ans après sa mort, son fils Louis XIV étend le Château de Versailles et son domaine : de 1661 jusqu’à la fin de sa vie en 1715, il fait réaliser d’importants travaux d’aménagements, par l’architecte Louis Le Vau qui triple la superficie du château (il garde le bâtiment initial qui constitue le cœur du château). À la mort de Louis Le Vau (le 11 octobre 1670), François II d’Orbay est désigné comme nouvel architecte.

À partir de 1678, sous la direction de l’architecte Jules Hardouin-Mansart, le château prend ses aspects actuels (construction de la galerie des glaces, chapelle royale, du grand et petit Trianon…). À partir de 1682, la demeure devient la résidence principale de la cour et du gouvernement. Louis XIV fait de son château une expression de son pouvoir et de sa puissance.
À sa mort, le palais et son domaine ne sont pas achevés, mais il en a tracé toutes les lignes et proportions.
Le 15 juin 1722, Louis XV revient à Versailles pour achever les travaux et se constitue des espaces plus intimes (sa timidité le poussant à multiplier des petits cabinets, dans lesquels il se sent plus à l’aise que dans les espaces publics). Le château connaît d’autres transformations : réaménagement des appartements du Roi et de la Reine, construction du grand théâtre (l’Opéra royal) par l’architecte Jacques-Ange Gabriel.
À la mort de Louis XV le 10 mai 1774, Louis XVI (né à Versailles, tout comme son grand-père), devient roi et fait faire plusieurs travaux d’aménagements intérieurs.
En 1830, à l’accession au trône de Louis-Philippe 1er, le château est restauré par l’architecte Pierre Fontaine. Très sensible à l’Histoire, Louis-Philippe crée en 1837, un musée dédié aux gloires de la France (pour réconcilier tous les Français). Pierre de Nolhac (attaché de conservation en 1887 puis conservateur du musée en 1892) rend au château son aspect antérieur à la Révolution et lui donne une nouvelle notoriété, notamment en créant des galeries historiques. La première guerre mondiale condamne le monument à la fermeture et à une protection des œuvres.
Le château subit les affronts du temps et un manque d’entretien pendant plusieurs années. Cependant, se rappelant l’implication de la France dans la guerre d’Indépendance américaine, le milliardaire Rockefeller fait des dons pour sa restauration, en 1924 et 1927.

Témoignant de l’art français aux XVIIe et XVIIIe siècles, le château et le domaine de Versailles font l’objet de plusieurs protections au titre des monuments historiques en 1862 et 1906. L’ensemble est inscrit depuis 1979, sur la liste du patrimoine mondial de l’UNESCO. Le 28 avril 1995, le gouvernement crée l’Établissement public du musée et du domaine national de Versailles (le nom est modifié en 2010 et devient l’Établissement public du château, du musée et du domaine national de Versailles). Au fil du temps, le château nécessite des améliorations pour l’accueil du public : le 23 février 2016 est inauguré le pavillon Dufour, entièrement modifié par l’architecte Dominique Perrault.