C'est sans doute le bâtiment le plus célèbre du parc Valentino. Ses origines datent du début du 16ème siècle. Emanuele Filiberto de Savoie en fit l'acquisition en 1564. Plus tard, Carlo Emanuele I (le fils de l'Iron Head) le légua à Marie Christine de France (la Madama Reale) qui l'utilisa comme résidence favorite et y vécut enfin avec sa cour.

Le château a été entièrement rénové de 1621 à 1669, d'abord par Carlo di Castellamonte puis par son fils Amedeo. Le bâtiment présente deux façades différentes: la principale vers Turin a les mêmes caractéristiques architecturales que les 17e châteaux français et contient des éléments du style baroque des bâtiments italiens; l'autre face au fleuve Pô est maçonnée. Les halls, en particulier le hall central et la salle de chasse au premier étage (accessibles par deux escaliers), conservent les traces de la splendeur du XVIIe siècle, avec de riches stucs et des fresques commémoratives allégoriques. Le trottoir de la grande cour est en pierre de clair-obscur et contient ses motifs originaux.

Des batailles ont eu lieu autour du château, des accords et des armistices stipulés et des alliances signées. Ses voûtes enregistrent les dates les plus marquantes de l'histoire du Piémont, comme celles du Palazzo Madama. C'est aujourd'hui le siège de la faculté d'architecture de l'Ecole polytechnique de Turin.