Na místě dnešního zámku v Valtici původně stál dřevohlinitý hrad z konce 12. století. V první polovině 13. století byl rozšířen v pozdně románském slohu, obehnán hradbami se dvěma branami a příkopem s tvrzí uprostřed. Roku 1377 vznikla před branami kaple zasvěcená svatému Mikuláši a Kiliánovi, kterou později v roce 1649 zbourali.

Lichtenštejnové si hrad přivlastnili na konci 14. století. Husitské války jej těžce poškodily, ale za Hartmana I. (†1539/1540) se stala Valtice trvalým sídlem jedné z větví tohoto knížecího rodu. Jeho syn Jiří Hartman postavil čtyřkřídlý renesanční areál. V roce 1606 zřídili Lichtenštejnové rodinný fideikomis, do nějž spadaly i Valtice.

Přelomová změna přišla roku 1608, když byl Karel I. povýšen do knížecího stavu – titul vyžadoval reprezentativní rozšíření sídla v módním barokním slohu. Nejintenzivnější přestavby probíhaly za knížete Karla Eusebia (1611–1684), který se stal mecenášem umění. Původní návrhy pocházely od Giovanniho Giacoma Tencally, vrcholné barokko pak od Johanna Bernharda Fischera z Erlachu. Do Valtic přilákal umělce jako Baldassare Fontanu či Domenica Egídia Rossiho. Z konce 17. století pochází schodiště od Domenica Martinelliho, které bylo postaveno menším měřítkem, než se zamýšlelo.

V období 1643–1730 vedli přestavby Giovanni Giacomo Tencalla, později brněnský stavitel Ondřej Erna se synem Janem Křtitelem. Jejich práce jsou vidět zejména kolem prvního nádvoří. Syn Karla Eusebia, diplomat Jan Adam Ondřej (1662–1712), barokní podobu dále rozvinul snad podle projektů Martinelliho a Fischera z Erlachu. V letech 1724 až 1729 interiér upravil Antonio Beduzzi (1675–1735), který také postavil zámeckou kapli. Středověký hrad byl zcela zbořen v letech 1744–1745. Na místě bývalé kočárovny se v letech 1788–1789 postavilo divadlo.

Kníže Karel Eusebius nechal vybudovat sedm kilometrů dlouhou alej vedoucí k zámku Lednice, čímž kreativně využil okolní krajinu. Tak byl položen základ Lednicko-valtické kulturní krajiny, kterou pozdější generace dále zušlechťovaly. Areál byl v roce 1996 zapsán na Seznam světového dědictví UNESCO.

Dnes je zámek ve vlastnictví státu a spravuje jej Národní památkový ústav. Od roku 1995 je chráněn jako národní kulturní památka. Je otevřen veřejnosti a konají se zde kulturní akce, zejména Valtické zámecké léto.