Sorge sulla sommità di una collinetta nel centro storico della cittadina. L'attuale impianto risale al Seicento ed è il risultato dell'ampliamento di un fortilizio medievale, costituito da quattro torri circolari, due delle quali sono anche visibili in facciata, rivestite in mattoni nel Settecento. Nella seconda metà del Quattrocento fu ampliato per volere di Jolanda di Valois, che trasformò l'edificio in dimora ducale. Qui, nel 1475, venne stipulato il "Trattato di Moncalieri" tra la duchessa Jolanda, Carlo, duca di Borgogna e Galeazzo Sforza, duca di Milano.

Carlo Emanuele I commissionò nuovi lavori, che continuarono per volontà di Vittorio Amedeo I e della "Madama Reale" Cristina di Francia. Il Castello fu la sede preferita di Vittorio Amedeo II (1666-1732) che qui morì prigioniero del figlio Carlo Emanuele III. Nel 1775 l'edificio subì sostanziali modifiche ma solo nel 1817 ebbero inizio le vere operazioni di restauro. Le lunghe maniche laterali vennero arredate, fu riprogettato lo scalone principale, vennero modificati gli appartamenti vicini e venne costruita la "Cavallerizza" sul fondo del cortile.

La struttura attuale del castello è a ferro di cavallo rivolto verso nord, con quattro possenti torrioni angolari parallelipedi. I corpi laterali presentano cinque piani e le pareti in laterizio presentano robusti contrafforti. Due corpi di fabbrica paralleli ai corpi laterali creano altrettante corti esterne adibite a scuderie e appartamenti della servitù. La facciata meridionale guarda un piccolo giardino all'italiana e presenta due torrette cilindriche, vestigia dell'antico castello quattrocentesco. Originale il belvedere all'ingresso nord.

Il giardino all'inglese si estende sulla collina per circa 10 ettari. È stato oggetto di recenti lavori di restauro che hanno permesso il recupero della componente vegetale e degli edifici presenti nel parco, tra cui la Cavallerizza (la più estesa delle residenze sabaude con i suoi 1000 metri quadrati), la Casa del Vignolante, la Torre del Roccolo e il laghetto delle ninfee.