Chtelnicu ako súčasť dobrovodského panstva kúpil od panovnioka Rudolfa II. v roku 1583 chorvátsky bán Christopher Baron Ungnad de Sonneg za 70 tisíc uhorských zlatých. K tomuto obdobiu sa pravdepodobne vzťahuje výstavba kaštieľa. V roku 1603 dochádza pravdepodobne k prvej prestavbe. Ďalšia nasledovala v roku 1679 a posledná v roku 1769, kedy kaštieľ dostal súčasnú podobu. V záhrade vznikli štyri jednoposchodové pavilóny. Okrem týchto objektov boli súčasťou areálu záhrady s alejami, sady pomarančovníka, bažantnica a zverinec. Tieto vznikli hlavne ako dôsledok priprav tereziánskych osláv roku 1775, keď gróf Johann Erdody privítal v Chtelnici samotnú panovníčku Máriu Teréziu so sprievodom. Na jej počesť usporiadal poľovačky, ples, ohňostroj a ďalšie slávnosti.
V polovici 19. storočia kaštieľ prevzali do vlastníctva Pálffyovci, ktorí dali obnoviť vnútorné zariadenie, umiestnili empírový nábytok, len v trinástich miestnostiach ponechali staršie zariadenie. Pálffyovci sa zdržiavali v Chtelnici zriedkavo. Roku 1912 Jozef Pálffy dal kaštieľ do prenájmu majiteľovi bratislavského pivovaru Viktorovi Steinovi, pričom väčšinu nábytku odviezli. Vnútorne zariadenie bolo pri nepokojoch v roku 1918 rozkradnuté, či zničené.
Do konca druhej svetovej vojny zostal prakticky neobývany. V novembri roku 1941 otvorili v kaštieli slávnostne tzv. Vyššiu vodcovskú školu HM za účasti prezidenta Jozefa Tisu. Po prechode frontu bol kaštieľ opätovne vyrabovaný.
Roku 1963 areál kaštieľa do zoznamu nehnuteľných pamiatok Západoslovenského kraja. Od roku 2000 je majetkom obce.