La seigneurie de Trévoux appartient au 12e siècle aux sires de Villars qui contrôlent la Dombes. En 1187, l'union de Thoire et de Villars, par mariage d'Agnès de Villars et Etienne de Thoire, est à la base de la puissance de cette maison : ses possessions s'étendent alors de la Saône à l'Ain. A la fin du 13e siècle ou au début du 14e siècle, les sires de Thoire-Villars élèvent un donjon d'où partent deux courtines délimitant un espace triangulaire. Vers 1360, le château est agrandi vers l'ouest, et l'espace se transforme en pentagone irrégulier doté de trois nouvelles tours (dont une carrée entièrement détruite) . Le dernier des Thoire-Villars, Humbert VII, ayant perdu une partie de ses terres et sans enfant, vend en 1402 l'ensemble de ses biens à Louis II de Bourbon. Les Bourbon conservent Trévoux malgré les tentatives des ducs de Savoie, ils font des réparations au château pendant tout le 15e siècle. Les terres des Bourbon, confisquées par François Ier en 1523, sont rendues en 1560 à Louis II de Bourbon-Montpensier. Une visite de 1561 indique qu'il y a dans la ville de Trévoux une tour et un château fort d'une belle construction que le tout allait tomber en ruine faute de réparations, d'où le rétablissement d'un jeu d'_aquebuse. En 1563, les Protestants, aidés du capitaine Moreau, assiègent le château qui n'éprouva que peu de dégâts à cause de la solidité de sa construction. En 1582, la prébende de la chapelle Sainte-Catherine, qui était autrefois au château est remise au chapitre. A cette époque, le château reste inhabité, seuls les murs de la ville seront encore entretenus au tout début du 17e siècle. La visite de 1716 décrit avec précision le château et la hauteur des tours. En 1793, des mineurs venus de Couzon détruisent le donjon sur 2 étages (sa hauteur passe de 28 à 16 m) . Un décret du 4 janvier 1813 autorise la vente des tours à M. James, mais celui-ci n'ayant pu payer dans le délai fixé, l'édifice est remis par décision du ministre des Finances à l'administration des domaines. Enfin, en 1822, il est aliéné au département de l'Ain. En 1847, des fouilles sont réalisées au pied du donjon. En 1879, une portion du rempart nord s'écroule et des brèches sont constatées à la base des tours. Après le classement du château, plusieurs campagnes de travaux ont lieu dont celles de 1932 et 1957 qui consolident les murs. En 1993, des travaux de mise hors d'eau sont exécutés sur les tours avec la réalisation sur le donjon d'une toiture en feuilles de plomb sur ossature en sapin, la réalisation du chemin de ronde sur la courtine nord et la restauration des maçonneries sur les courtines sud et ouest