Les premiers jalons du château remontent au Moyen Âge, peut-être dès le milieu du XIe siècle, lorsque le fief de Montreuil tombe entre les mains des comtes de Vendôme. Il appartient ensuite à plusieurs seigneurs locaux dont ceux issus de la famille de Monsterol ou Monstereul (Montreuil), dont certains membres sont déjà mentionnés au XIe siècle. L'association du fief et de seigneurs nommés Henry de Monstreul est quant à elle attestée au XIIIe siècle.

En 1400, le château, ses fossés, jardins, cloisons et vergers sont vendus à Jean de la Taillaye, pennetier du Roy et Jehanne de Sancerre, fille de Louis de Sancerre, chevalier et connétable de France. Il échoie ensuite à la famille de Lamandaye qui le conserve jusqu'à la fin du XVIe siècle, après quoi il passe entre plusieurs mains, avant de devenir en 1601 la propriété des Chapuiset, puis des Bastard de Fontenay qui le rachètent en 1703. L'inventaire des biens de Denis de Bastard de Fontenay, daté de 1724, nous apprend que le château était alors doté au rez-de-chaussée d'une cuisine, d'un office, d'un salon, d'une grande salle avec un cabinet et d'une petite chambre richement décorée avec vue sur cour. Au premier étage, se trouvaient plusieurs petites chambres avec cabinets et une grande pièce où étaient entreposées les réserves alimentaires. Le reste de l'édifice était consacré au stockage des grains et du vin dans les caves et les greniers.

Le château est saisi et mis en vente en 1799. Il comprend alors une basse-cour composée d'une grange où se trouvait un pressoir, ainsi que d'autres bâtiments attenants à ce dernier, distribués d'écurie, chenil, toits à porcs, cour close, au-devant de laquelle se trouvait une pièce d'eau, à quoi s'ajoutent d'autres bâtiments comprenant des remises, bergerie, poulailler, jardin et petit terrain clos d'épines.

Le plan cadastral de 1834 ne montre que le logis entouré de fossés, possiblement défendu par ce qui ressemble à une tour, postée au sud-est.

Le château-fort médiéval

L'édifice d'origine, sans doute édifié entre le XIe et le XIIIe siècles, devait se présenter sous la forme d'un ensemble fortifié constitué d'un fossé sec entourant un imposant donjon de pierre quadrangulaire à contreforts plats, dans l'esprit de ceux construits par les comtes d'Anjou à Loches ou à Montbazon à la même période. Ce premier édifice correspond aujourd'hui à l'actuel corps central élevé de deux étages carrés, dont les parties basses, notamment observables en sous-sol, présentent un appareillage en gros moellons grossièrement équarris disposés en lits horizontaux ; le premier étage de la façade donnant sur le jardin conserve par ailleurs les vestiges d'une baie en plein cintre en pierres de taille calcaires.

Par la suite, il semble qu'un second corps de bâtiment ait été ajouté au nord de ce premier château ; il n'en subsiste aujourd'hui que l'élévation est, percée de trois fenêtres régulières à présent comblées, au-dessus desquelles se trouve également un vestige d'encorbellement en pierre suggérant un ouvrage en suspension.

La progressive transformation en demeure de plaisance

Perdant peu à peu sa vocation défensive, le château subit une première transformation importante entre le XVe et le XVIIe siècles destinée à le rendre plus habitable, sans qu'il soit possible de dater précisément les différentes interventions.

De nouvelles baies sont ainsi percées dans la façade est, sans doute dans la deuxième moitié du XVe ou au début du XVIe siècle ; au vu des piédroits à chanfreins moulurés conservés, il est possible de restituer à droite une travée de croisées et à gauche de demi-croisées, ce qui permet d'envisager une distribution en grande salle et antichambre. Une tour d'escalier, dont on devine la présence en façade ouest (à l'endroit où l'espacement entre les travées est le plus important) a peut-être été édifiée à cette époque afin de desservir plus aisément les étages. La tour des latrines a peut-être également été construite à cette époque sur la base d'un élément défensif antérieur reprenant l'un des contreforts du donjon (elle est en tout cas percée de plusieurs meurtrières).

Par la suite, à la limite des XVIe et XVIIe siècles, les parties hautes sont refaites et complétées, notamment par l’ajout d’un décor de corniche, la surélévation de la tour des latrines et la mise en place du haut comble en pavillon, hypothèse qui permet également de dater le treuil de levage de cette période.

Au XVIIIe siècle, les baies et les accès sont une nouvelle fois remaniés : la tour d'escalier de la façade ouest est détruite au profit de l'actuel escalier dans œuvre. La porte principale est agrémentée d'un décor et les baies sont harmonisées. De nouvelles lucarnes viennent éclairer le comble, celles sur cour ayant aujourd'hui disparu. La distribution et les aménagements intérieurs sont modernisés : des cloisons sont mises en place afin de réduire la taille de certaines pièces qui sont ornées de lambris, d'alcôves pour les chambres, ainsi que d'un remarquable poêle en faïence. Enfin, c'est aussi à cette époque qu'est comblée la partie est du fossé afin de pouvoir y aménager un jardin d'agrément, peut-être associé à une terrasse. Dans le même temps, l'aile nord abritant la cuisine est édifiée sur les vestiges plus anciens présents à cet endroit. L'aile en appentis au sud est sans doute édifiée à la fin du XVIIIe siècle ou au début du XIXe siècle. Les dépendances semblent quant à elles avoir été construites après 1834.