Les terres du château furent achetées par Henri Hurault, Comte de Cheverny, Lieutenant Général des Armées du Roi de France, et Trésorier Militaire du roi Louis XI, dont le propriétaire actuel, le marquis de Vibraye, est le descendant. Du château primitif datant de 1500, il ne reste que de rares vestiges, dont la trace est encore visible dans les communs.

Après qu'il eut été récupéré par la couronne pour cause de fraude envers l'état, il fut donné par le roi Henri II à sa maîtresse Diane de Poitiers. Néanmoins, celle-ci lui préféra le Château de Chenonceau et vendit la propriété au fils du précédent propriétaire, Philippe Hurault de Cheverny, et à son épouse, Anne de Thou, Leur fils, Henri et son épouse, Marguerite Gaillard de La Morinière, bâtirent le château entre 1624 et 1630. La fille de ses derniers, Élisabeth, marquise de Montglas, achève la décoration intérieure. La Grande Mademoiselle qualifiera le château terminé de "palais enchanté".

Ils en ont confié la réalisation à l'architecte Jacques Bougier (dit Boyer de Blois), qui avait assisté Salomon de La Brosse dans la construction du château de Blois. La décoration a été achevée par la fille d'Henri Hurault et de Marguerite, la Marquise de Montglas, vers 1650, avec l'aide du sculpteur et menuisier Hevras Hammerber et du peintre Jean Mosnier (1600-1656), originaires de Blois.

Durant les cent cinquante années suivantes, il changea maintes fois de propriétaires et passe entre les mains de Jean-Nicolas Dufort de Cheverny (introducteur des ambassadeurs) en 1764, et on y entreprit de grands travaux de rénovation en 1765. Propriété de Jean-Nicolas Dufort de Cheverny pendant la Révolution française, le château est épargné. Après être passé par les mains du Comte Germain de Montforton sous le premier Empire, il fut racheté par Anne-Victor Hurault, marquis de Vibraye en 1825.

En 1922, le marquis de Vibraye, propriétaire des lieux, ouvrit le château au public. La famille y habite toujours et le château de Cheverny est devenu l'un des châteaux de la Loire les plus visités, renommé pour ses intérieurs riches et sa collection d'objets d'art et de tapisseries

Le château reçoit la visite d'Elizabeth Bowes-Lyon, reine-mère d'Angleterre en 1963.