À l’emplacement du Château du Haut-Buc, un premier édifice est construit à la demande de Louis XIV à la fin du 17e siècle, pour héberger à l’écart de la cour de Versailles, Louis Alexandre de Bourbon (Comte de Toulouse et Duc de Penthièvre, fils illégitime du Roi et de Madame de Montespan, légitimé en 1681).
Le château de Buc est détruit sur ordre de Louis XV, en 1741 à la mort du comte : les derniers témoins sont la maison du gardien et l’entrée du parc.

En 1864, le château actuel est construit grâce à Léon Thomas, riche bourgeois parisien épris de l’histoire des lieux. Il possède un attique de style 19e siècle, trois étages avec un balcon de style Louis XV, un toit en terrasse bordé d’une balustrade et des façades ornées de niches sculptées.
Le parc réaménagé par le paysagiste Éric Pouchin dans les années 90, est composé d’une colonnade d’ordre ionique, d’un canal et de cinq statues (copies de sculptures d’Étienne le Hongre et de Pierre 1er Legros).

Racheté en 1954 par l’État pour en faire une école, puis en 1987 par la commune de Buc, le château accueille aujourd’hui des expositions, manifestations culturelles et sportives, événements musicaux et littéraires…