Quelques auteurs du XIXe siècle font remonter l'existence d'un château à Pierrefonds au règne du monarque carolingien Charles III le Simple (898-923). Un certain Oger de Bérogne, dont le nom sonne davantage comme celui d'un héros de chanson de geste que comme celui d'un personnage véritablement historique, aurait sollicité l'autorisation royale pour fortifier l'endroit afin de résister aux invasions scandinaves. Nous n'avons pu vérifier la validité de cette assertion.

Plus concrètement, un certain Nivelon Ier fonde à Pierrefonds une collégiale dédiée à saint Sulpice en 1047 et la comble de nombreux bienfaits. L'existence d'un château à cette époque est probable. Ses héritiers détiennent la seigneurie jusqu'à l'extinction de la lignée, à la fin du XIIe siècle. Le roi Philippe II Auguste (1180-1223) profite de l'aubaine pour réaliser l'acquisition du domaine avec sa forteresse éponyme (1185). Petrifons apparaît dans un document capital, le Scripta de feodis (registre des fiefs) compilé entre 1206 et 1210, terrier recensant toutes les possessions - et spécialement les châteaux et cités épiscopales - détenues par le Capétien. L'emplacement exact de ce premier castrum est sujet à controverse : certains le placent à l'endroit où se dresse l'actuelle construction ; d'autres le localisent à proximité de l'église Saint-Sulpice, sur la colline du Rocher.

Pierrefonds fait désormais partie intégrante du comté de Valois, régulièrement donné en apanage aux cadets de la famille royale. C'est de l'un de ces cadets, Charles de Valois (1270-1325), fils de Philippe III le Hardi (mort en 1285) et frère de Philippe IV le Bel (mort en 1314), que sera issue la dynastie régnante des Valois (1328-1498).

Pierrefonds et le comté de Valois sont à nouveau donnés en apanage au frère du roi Charles VI (1180-1422), Louis, futur duc de Touraine (1386) et duc d'Orléans (1392). Profitant des fréquentes crises de folie de son aîné à partir de 1392, Louis d'Orléans puise allègrement dans les caisses de la monarchie pour satisfaire à ses propres besoins. Il entreprend notamment de bâtir deux châteaux colossaux, l'un à Pierrefonds et l'autre à La Ferté-Milon (Aisne). Son assassinat en 1407 vient mettre un terme définitif aux deux chantiers. Contrairement à La Ferté, Pierrefonds est en bonne voie d'achèvement à la mort de son commanditaire.

La forteresse reste dans la même famille jusqu'à l'accession au trône du petit-fils de Louis d'Orléans, le roi Louis XII (1498-1515). Le comté de Valois est aussitôt redonné par le nouveau monarque à son cousin et gendre, François d'Angoulême. Lorsque celui-ci devient roi à son tour en 1515 (François Ier), Pierrefonds retourne définitivement dans le giron de la couronne.

Durant les Guerres de Religions, les Ligueurs parviennent à s'en emparer (1589) et l'occupent plusieurs années, résistant à deux reprises aux troupes de roi Henri IV (1572-1610). Ce fut finalement Richelieu qui, dans son combat permanent contre la féodalité, enleva la place et ordonna son démantèlement (1617). Tours éventrées, courtines abattues servirent de carrière de pierre aux populations des environs.

Napoléon Ier acheta les ruines en 1810, mais ce fut Napoléon III qui décida de les faire restaurer. Le chantier fut confié en 1857 à Eugène Viollet-le-Duc, qui s'attacha à inventer une forteresse médiévale idéale pour servir de cadre à la vie de la cour impériale. Le chantier, suspendu en 1870, reprit en 1878 avant de s'arrêter définitivement en 1885, six ans après la mort de l'architecte.