L'antico castello, ospitò diverse famiglie nobili, fu acquistato da Emanuele Filiberto di Savoia. Il castello deve la sua forma attuale ad una Madama Reale, la giovanissima Maria Cristina di Borbone-Francia, sposa di Vittorio Amedeo I di Savoia. Con i quattro torri angolari, con un'ampia corte a pavimento marmoreo con i tetti che sono tipicamente transalpini rispecchia il gusto della Madama.

I lavori durarono dal 1633 al 1660 su progetti di Carlo e Amedeo di Castellamonte ma la Madama vi abitò sin dal 1630. Le stanze al piano nobile conservano importanti decorazioni seicentesche ad affresco e a stucco dorato o bianco. L'appartamento di Moncalieri che consiste nel salone centrale e le stanze alla sua destra sono decorati ad opera di Isidoro Bianchi e dei figli Pompeo e Francesco.

Un'area di 27.000 metri quadrati a sinistra del Castello è occupata dall'Orto Botanico; fondato da Vittorio Amedeo II nel 1729. Decaduta a partire dalla morte di Cristina di Francia, la residenza ebbe successive destinazioni d'uso: scuola di veterinaria nel periodo francese, caserma nel 1824, scuola di applicazione per gli ingegneri dal 1859, infine sede della facoltà di Architettura del Politecnico di Torino.