Bez wątpienia jest to najsłynniejszy budynek parku w Valentino. Jego początki sięgają początku XVI wieku. Emanuele Filiberto z Savoy nabył je w 1564 roku. Później Carlo Emanuele I (syn Żelaznej Głowy) zapisał go Marie Christine z Francji (Madama Reale), która wykorzystała ją jako swoją ulubioną rezydencję i mieszkała tam długo ze swoim dworem.

Zamek został całkowicie odnowiony w latach 1621–1669, najpierw przez Carlo di Castellamonte, a później przez jego syna Amedeo. Budynek prezentuje dwie różne fasady: główna w kierunku Turynu ma takie same cechy architektoniczne jak francuskie XVII zamki i zawiera elementy barokowego stylu włoskiego budynku; druga zwrócona w stronę rzeki Po to mur. Hale, a zwłaszcza Sala Centralna i Sala Myśliwska na pierwszym piętrze (dostępne przez dwie klatki schodowe) zachowują ślady dawnej świetności z XVII wieku, z bogatymi stiukami i alegorycznymi freskami. Chodnik dużego dziedzińca jest kamieniarką światłocienia i zawiera oryginalne motywy projektowe.

Wokół zamku toczono bitwy, ustalano umowy i zawieszenia broni oraz podpisywano sojusze. Jego sklepienia rejestrują najbardziej znaczące daty historii Piemontu, takie jak w Palazzo Madama. Dziś jest siedzibą Wydziału Architektury Politechniki w Turynie.