Meudon était déjà habité aux temps préhistoriques : de nombreux dolmens, dont l'un a été transporté à l'entrée de la terrasse, sont là pour l'attester. L'origine du premier château deMeudon n'est pas connue, mais on trouve trace du manoir du Val de Meudon dès le 14ème siècle. En 1527, le château fut donné par le cardinal Antoine Sanguin à sa nièce Anne de Pisseleu, duchesse d'Etampes et favorite de François 1er, lequel y séjourna à de nombreuses reprises. On ignore la date du début de la construction du château Renaissance qui se trouvait à l'extrémité de la terrasse actuelle. Il fut terminé vers 1540.

En 1552, quatre ans après la mort de François 1er, la duchesse d'Etampes cède le domaine de Meudon au cardinal Charles de Lorraine. Celui-ci embellit l'intérieur du château, fit aménager les jardins et fit construire par le Primatice la "grotte", un bâtiment de style italien, dont les salles sont décorées de fontaines et de rocaille, et que Ronsard célébra dans ses poêmes. De la grotte, il reste actuellement la terrasse qui sert d'assise au bâtiment de la grande coupole. Il est probable que l'orangerie, qui a subsisté jusqu'à nos jours, a également été aménagée au milieu du XVIème siècle.

A la mort de Charles de Lorraine en 1574, la château appartint par héritage à la famille de Guise jusqu'en 1654. Pendant cette période, Meudon eût à souffrir des guerres de Religion et de la Fronde. Il fut alors vendu à Abel Servien, surintendant des finances. Durant les cinq années où celui-ci en fut propriétaire, il se lança dans de grands travaux d'embellissement. Il fit rénover, moderniser et agrandir le château, probablement par Le Vau ; il fit aménager un parc et surtout, seul souvenir que nous ayons de cette époque, il fit édifier la terrasse (260 m de long, 140 m de large et 14 m de hauteur) ce qui représentait alors un énorme travail de terrassement.

De 1659 à 1679, le château appartint à Louis François Servien, lequel le vendit à Louvois, ministre de Louis XIV. Jusqu'à sa mort en 1691, le nouveau propriétaire consacra beaucoup de soins à l'amélioration de son domaine. Il fit transformer les appartements et modifia l'aspect extérieur du château. Mais ces travaux sont peu de choses comparés aux embellissements du parc : il fit dessiner les jardins par Le Nôtre et réaliser de très importants travaux hydrauliques afin d'alimenter les fontaines.

En 1695, Louis XIV achète le château à la marquise de Louvois, à l'intention de son fils le Grand Dauphin. Une période particulièrement brillante s'ouvre alors pour le domaine de Meudon. Tous les travaux entrepris par le Grand Dauphin auront pour architecte Jules Hardouin-Mansart, l'architecte de Louis XIV. La décoration intérieure du château est modifiée, le gros oeuvre est transformé. Près de l'entrée du domaine sont établis de nouveaux communs, bâtiments dans lesquels travaillent aujourd'hui des astronomes. En 1702 sont bâties la chapelle et l'Aile des Marronniers. Mais surtout, à l'emplacement de la grotte du Primatice, qu'il a fait démolir, le Grand Dauphin fait construire, en 1706, le Château Neuf, l'actuel bâtiment de la grande coupole. En 1711, à la mort du Grand Dauphin, Meudon est attribué à l'ainé de ses fils, le duc de Bougogne, lequel mourût en 1712.

C'est alors le déclin de Meudon. Il servira de domaine de chasse à Louis XV. Sous son règne et celui de Louis XVI, les bâtiments et les jardins sont insuffisamment entretenus, plusieurs bassins abandonnés. Les paysans obtiennent la cession de différentes parties du parc.

Meudon eût à souffrir de la Révolution à partir de 1792. Les armes et emblèmes des façades sont martelés et les meubles sont vendus. Le Château Neuf est aménagé en fabrique de ballons : on y prépare l'aérostat qui servira à la bataille de Fleurus. Un atelier d'artillerie est installé, où l'on procède à des essais d'obus. En 1795, le feu se déclare dans le Château Vieux. Les canalisations en fonte ayant été retirées pour servir de lest à la marine, l'incendie ne peut être combattu efficacement, faute d'arrivée d'eau. Les restes du Château Vieux sont soumis au pillage et en 1803 il est démoli. Les colonnes en marbre rose ornent désormais l'arc de triomphe du Carrousel et des colonnes en pierre, la petite rotonde du Luxembourg.

En 1807, Napoléon décide de faire un palais impérial du Château Neuf qui est alors restauré. En 1812, il devient la résidence du Roi de Rome. Pendant la Restauration Meudon ne sera pas utilisé, mais pendant la Monarchie de Juillet le duc d'Orléans s'y installe de temps en temps. Durant le Second Empire y réside Jérôme Bonaparte et ensuite son fils, le prince Napoléon.

En 1870, Meudon représente un point stratégique de première valeur pour la défense de Paris et est bientôt occupé par les Prussiens. Quaranthuit heures après la signature de l'armistice en janvier 1871, le château prend feu et brûlera pendant trois jours. Peu après le domaine est attribué à l'armée.

En 1874, le gouvernement français décide d'établir un observatoire destiné à la physique astronomique et en propose la direction à Jules Janssen qui s'était déjà distingué par ses études sur le Soleil. Janssen eût le choix entre deux sites : la Malmaison ou Meudon qu'il choisit pour ses conditions météorologiques et où il s'établit en 1876. Commence alors une nouvelle vie pour le domaine de Meudon.