La seigneurie de Chantepie, documentée dès 1278, année où Pierre de Chantepie en est le seigneur, dépend de la châtellenie de Lassay. Son étendue n'a pu être déterminée avec précision, mais il semblerait qu'elle recouvre au moins la partie nord de la commune de Thuboeuf. L'alliance entre Jeanne de Chantepie et Guillaume de Pennard, scellée en 1430, fait entrer la seigneurie de Chantepie dans le giron de la famille de Pennard dans lequel elle reste jusqu'à la fin du XVIIIe siècle. En 1774, Anne-Françoise de Pennard épouse le marquis Louis de Vaufleury de Malterre. Une de leurs descendantes, Arlette de Vaufleury de Malterre épouse en 1920 Charles Law de Lauriston, dont les descendants possèdent aujourd'hui encore le château.

Un aveu de 1661 qualifie Chantepie de "maison et manoir défendable, 69 journaux et garennes". Dans un autre aveu de 1773, Chantepie est qualifié de "château avec avenue de hêtres sur plusieurs rangs, moulin, étang, landes, taillis, métairies diverses".

Du château primitif, aucune trace n'est visible. Seul le linteau à accolade et écu armorié, remployé au-dessus de la porte murée du grand pavillon oriental, pourrait dater de la fin du XVe siècle, du XVIe ou du début du XVIIe siècle. La maçonnerie de petit moellon de grès assisé et les arcs de décharge surmontant les baies de ce même pavillon oriental indiquent une datation qui pourrait correspondre à la date portée sur le linteau de la porte occidentale de ce pavillon : 1779. La prise de possession de la seigneurie par la famille de Vaufleury de Malterre (1774) a en effet pu entraîner une importante restauration du site ; les enduits et les augmentations postérieures empêchent néanmoins de connaître la nature exacte de ces travaux de la fin du XVIIIe siècle et a fortiori l'édifice préexistant. Toutefois, le plan-masse du cadastre ancien, réalisé en 1813, et les photographies prises avant les restaurations entamées en 1855 montrent que le château se dressait déjà entre cour et jardin, selon un plan en U. La partie centrale comprenait 8 travées, entourées de deux petites ailes en retour vers la cour, profondes d'une travées. L'ensemble était haut d'un étage carré. La cour d'honneur était encadrée de deux ailes de communs de même dimension que les dépendances actuelles. La chapelle, ainsi que le canal de dérivation de la Mayenne, entourant le jardin, existaient déjà.

D'importants ajouts ont été réalisés dans la deuxième moitié du XIXe siècle. Les travaux sont documentés par une série de photographies datées illustrant différentes phases du chantier. La première se déroule entre 1855 et 1865. Elle débute par la réédification du pavillon occidental, agrandi, rehaussé et doté d'un haut comble habitable, et par la restauration des deux premières travées occidentales, avant 1868. Le pavillon oriental a par la suite été surélevé et doté d'un comble habitable, sur la base des maçonneries préexistantes. L'ensemble des combles a été réédifié et rendu habitable au cours de cette phase de travaux. La chapelle, dont les maçonneries pourraient dater du XVe ou du XVIe siècle, a été agrandie d'une abside, dont les baies ont été dotées de vitraux réalisés par un maître verrier parisien, Antoine Lusson, en 1859, et redécoré dans un goût néo-gothique (autel, peintures, rampants du pignon). Son mur-pignon occidental a été ouvert d'une rosace en 1854. Une deuxième salve de modifications est effectuée vers 1890. Une photographie datée du mois de juillet 1890 montre l'avant-corps central en cours de construction. C'est sans doute en cette fin de XIXe siècle qu'est construit le petit pavillon situé à l'est du pavillon oriental et reliant ce dernier à un autre petit pavillon préexistant. Les communs ont également été réaménagés et rhabillés dans cette seconde moitié du XIXe siècle. En 1902, la cour d'honneur est parée d'une grille en fer forgé réalisée par Girard, de Couterne. Ces travaux témoignent ainsi d'une volonté d'agrandissement (notamment du fait de l'aménagement des combles) et d'une recherche de confort (agrandissement des espaces de vie et création de grandes verrières tournées vers le sud dans l'avant-corps-central). Tout en conservant une partie des maçonneries anciennes, ils donnent à Chantepie l'apparence d'un luxueux château du XVIIe siècle.