C'est en 1029 qu'apparaît la première mention d'un seigneur de Chambéry -Witfredus de Camberiaco- témoin d'une donation entre le roi de Bourgogne et l'abbé d'Ainay. Deux siècles plus tard, en 1232, Berlion de Chambéry cède au comte de Savoie ses droits sur la ville. En 1295, Amédée V, comte de Savoie, achète le château.

Au siècle suivant, des travaux sont entrepris autour du noyau primitif (le vieux " pavillon " avec la tour de la Poype et peut-être la porte de la herse) : surélévation de la butte fortifiée, construction des bâtiments de la porterie, de la Chambre des comptes (vers 1342), de la tour de la trésorerie (vers 1351), aménagement de la porte de la herse (vers 1389).

Sous le règne d'Amédée VIII (1391-1439), le château prend une ampleur nouvelle avec la construction de la tour des Armes (achevée en 1413), de la chapelle (1408-1421), de la tour Yolande la jouxtant (1465) et de la tour du Carrefour (1439-1455).

En décembre 1532, la Sainte-Chapelle (elle abritait depuis le début du siècle le fameux Saint Suaire, aujourd'hui conservé à Turin) est la proie des flammes. Sa façade est restaurée entre 1655 et 1663 selon la mode baroque de l'époque.

En 1742, les Espagnols, à la suite de la guerre de Succession d'Autriche, occupent la Savoie et s'installent au château. Ils sont à l'origine de l'incendie de février 1743 qui détruit l'aile sud, dite aile royale (édifiée à la fin du XIVe siècle).
Afin de gagner de la surface, le bâtiment de la Chambre des comptes est rehaussé en 1781 (partie est) et 1843 (partie ouest). Il en est de même pour le bâtiment de l'intendance et la porte de la herse. En 1786, la construction d'une nouvelle aile, près de la tour du Carrefour, est lancée.

C'est sous l'occupation française, en février 1798, qu'un second incendie ruine de nouveau l'aile royale et les bâtiments occidentaux (dont le vieux " pavillon " restauré vers 1640 et la tour des Armes).

Un arrêté impérial signé par Napoléon Ier en mars 1805 permet de lancer la reconstruction de l'aile sud. Victor Emmanuel II, duc de Savoie, la prolonge et fait édifier l'aile ouest. Napoléon III aménage l'aile du midi (escalier d'honneur et pavillon à colonnes et frontons) ainsi que la tour des Armes (installation en 1861 d'un grand escalier desservant l'aile occidentale). La fin de ce siècle voit la restauration de la tour du carrefour et de la Sainte-Chapelle. En 1997, un nouvel incendie ravage le dernier étage et les combles de l'aile orientale occupée par le Conseil Général.