Il castello del Valentino venne edificato a partire dal XVI secolo come dimora suburbana di “delizia”. La residenza, divenuta proprietà di Casa Savoia, venne ampliata ed arricchita con interventi voluti dal duca Emanuele Filiberto (1528-1580) e dal suo successore Carlo Emanuele I (1562-1630). Quest’ultimo donò il palazzo alla nuora, Cristina di Francia (1606-1663), probabilmente nel 1620 in occasione del matrimonio con l’erede Vittorio Amedeo I (1587-1637). All’indomani della salita al trono del marito (1630) la duchessa diede avvio ad una lunga stagione di lavori, diretti prima dall’architetto e conte Carlo di Castellamonte (1560-1641) poi da suo figlio Amedeo (1618-1683), che si intensificarono in particolare durante il periodo della Reggenza (dal 1637). La prima campagna decorativa del Valentino riguardò l’appartamento del primo piano verso Moncalieri, costituito dalle stanze “Verde”, “delle Rose”, “dello Zodiaco”, “della Nascita dei Fiori”, “dei Gigli” e dal gabinetto “dei Fiori indorato”. I fregi e le volte di questi ambienti vennero ornati da affreschi e stucchi realizzati da artisti di origine luganese, come Isidoro Bianchi (1581-1662) e i suoi figli Francesco e Pompeo, Tommaso Carlone e Carlo Solaro. Questi maestri diedero vita alle invenzioni poetiche, incentrate su temi alchemici e floreali, ideate dal conte Filippo San Martino d’Agliè (1604-1667). Il Salone centrale venne affrescato da Isidoro Bianchi con temi storici che sottolinearono lo stretto rapporto della corte sabauda con il regno di Francia.
I lavori di decorazione del castello del Valentino vennero ripresi nel 1642, al termine del drammatico conflitto tra la reggente del ducato sabaudo, Madama Reale Cristina di Francia, e i cognati filo-spagnoli, il principe di Carignano Tommaso Francesco di Savoia e il cardinale Maurizio. All’inizio del sesto decennio del Seicento l’esterno della reggia verso la corte venne modificato con l’aggiunta di un finto secondo piano, utilizzato per celare parzialmente il ripido tetto a spiovente “alla francese” e sul nuovo frontone venne istallata una lapide commemorativa dettata dal retore di corte Emanuele Tesauro (1592-1675). L’intellettuale delineò anche i temi retorici che caratterizzarono le decorazioni delle sale dell’appartamento del primo piano verso Torino, ovvero le stanze “della Guerra”, “del Negozio”, “delle Magnificenze”, “della Caccia”, “delle Feste” e il gabinetto “delle Fatiche d’Ercole”. Per l’occasione vennero richiamati a Torino gli artisti luganesi della famiglia Bianchi che realizzarono le ricche partiture in stucco, nelle quali ebbero una parte determinante anche Alessandro e Carlo Casella, Bernardino Quadri, Elia Castelli e Giovan Luca Corbellino, e si affidarono le pitture ad artisti come Giovanni Paolo e Giovanni Antonio Recchi.

Al pari di un buon numero delle altre residenze sabaude, l’età contemporanea assegnò al Castello del Valentino una funzione militare. Il 19 dicembre 1805, infatti, il governo francese stabiliva che il complesso fosse assegnato all’esercito e vi fosse insediata una scuola di Veterinaria. Resta traccia di questa pur breve destinazione d’uso nelle decorazioni delle aperture del padiglione sud-orientale che, in origine, consentivano l’accesso alla terrazza di collegamento con il padiglione occidentale.
Con la Restaurazione, i Savoia sostanzialmente confermavano l’utilizzo militare della residenza: nel 1824 vi furono insediate due compagnie di Artiglieria leggera, mentre a partire dal 1831 fu sede del neonato corpo Pontieri del Genio, che divideva l’uso degli ex appartamenti reali con la Regia Camera di Agricoltura e Commercio, la quale poteva disporne per organizzare periodiche esposizioni industriali.
L’uso militare, ribadito in qualche modo anche dal passaggio della proprietà dell’edificio dalla Corona al demanio dello Stato nel 1850, perdurò sino al 1857, quando, in previsione della VI Esposizione Nazionale dei Prodotti per l’Industria dell’anno successivo, il Ministero delle Finanze, dopo averne approvato il progetto, assegnò l’incarico a Luigi Tonta e Domenico Ferri della complessiva trasformazione del castello, il quale, nell’occasione, acquisì la forma che tuttora mostra.

Il castello del Valentino, che negli anni Quaranta del Novecento già ospitava, nell'ala nord-ovest, l'Istituto Superiore d'Ingegneria (Politecnico), fu colpito in più occasioni, nell'autunno 1942 e nell'estate 1943, dagli attacchi aerei alleati. Bombe dirompenti e incendiarie procurarono il distacco della copertura del tetto e lesioni a soffitti, muricci e infissi. Nell'ottobre 1944 risultavano in corso lavori di ripristino.

Dal 1620: allestimento dell’appartamento meridionale verso Moncalieri;

1642: Ripresa dei lavori;

Anni Sessanta del XVII secolo: aggiunta del finto secondo piano verso il cortile e completamento della decorazione dell’appartamento verso Torino

1805: destinazione del complesso all'Esercito e insediamento della Scuola di Veterinaria

1831: sede dei Pontieri del Genio

1850-57: proprietà al Demanio dello Stato