La costruzione del Castello risale all'alto Medioevo ed era dominato dai conti Guidi (1164), isolato dal borgo, mantiene l'originario impianto a ellisse (noto alla tradizione popolare come "castello della nave" per la forma allungata che ricorda la sagoma di un'imbarcazione a vela) e in parte è circondato da mura.

Nel 1254 fu sottomessa al dominio di Firenze e trasformata in Comune.

Situata al confine occidentale dello stato, Vinci fu oggetto di contesa da parte dei nemici di Firenze e visse le vicende che tormentarono la vita politica fiorentina.

Nel 1315, sotto le sue mura combatterono le soldatesche di Uguccione della Faggiola; nel 1320-26 Castruccio Castracani; nel 1364 Jona Hakwood, capo delle compagnie di ventura degli inglesi al soldo di Pisa.

Il castello venne restituito al comune di Vinci nel 1919 dal Conte Giulio Masetti da Bagnano.

Dal 1953 ospita il Museo Leonardiano.

Vari restauri si sono susseguiti negli anni, l'ultimo quello del 1986 per ospitare il nuovo allestimento del Museo Leonardiano.