Sans descendance de son union cachée avec Monsieur de Lauzun, la “Grande Mademoiselle” fait donation du comté d’Eu à Louis-Auguste de Bourbon, duc du Maine (1670-1736), aîné des enfants illégitimes de Louis XIV et de Madame de Montespan, sa favorite. L’année 1693 voit la mort de la Grande Mademoiselle. L’histoire du château à cette période est moins bien connue. Il passe, après lui, à son fils, (1700-1755), puis au frère de celui-ci, Louis-Charles de Bourbon, également comte d'Eu (1701-1775), lesquels, morts sans descendance, laissent pour héritier leur cousin-germain, Louis-Jean-Marie de Bourbon, duc de Penthièvre. Ce dernier, de 1775 à 1793, fera beaucoup pour l’entretien du domaine. Considéré comme l’homme le plus riche de son temps, Louis-Jean-Marie de Bourbon, duc de Penthièvre épouse, en 1744, Marie-Thérèse de Modène, dont il a deux enfants, le Prince de Lamballe, mort à 20 ans, et Louise Marie Adélaïde de Bourbon-Penthièvre, devenue par son mariage duchesse d’Orléans.
Le duc de Penthièvre est relativement peu inquiété durant la Révolution mais subit le contrecoup des événements qui affectent sa famille, notamment la mort atroce de sa belle-fille, la princesse de Lamballe, lynchée pendant les Massacres de Septembre 1792. Il meurt en mars 1793, près de Vernon, dans son château de Bizy, en Normandie. Il laisse une fille unique, Marie-Adélaïde de Bourbon, duchesse d'Orléans, qui doit s'exiler en 1797. Par sa fille, le duc de Penthièvre est le grand-père de Louis-Philippe, futur roi des Français. Le château d'Eu est mis sous séquestre sous la Révolution. Au début du Premier Empire, le château d'Eu est affecté à la sénatorerie de Rouen et habité un temps par le titulaire de celle-ci, Antoine-Guillaume Rampon. À cette époque est démolie l'aile en retour donnant au nord, sur la Bresle, qui abritait un grand escalier, une galerie, une salle des gardes et une cuisine.
En 1811, le château est intégré au domaine de la couronne impériale. L'architecte Pierre Fontaine y dirige alors quelques travaux pour Napoléon. Lors de la première Restauration, en 1814, ses domaines sont restitués à la duchesse d'Orléans, qui ne vient à Eu qu'en 1818. A sa mort en 1821, c'est son fil le duc d'Orléans, futur roi Louis-Philippe, que revint le domaine d'Eu. Partisan de la Révolution Française, Louis-Philippe (1773- 1850), appelé Philippe-Egalité durant la Révolution, participe aux batailles de Valmy et de Jemappes. Proscrit par le gouvernement révolutionnaire, Louis-Philippe s’exile. Après avoir voyagé en Suisse, en Scandinavie et aux Etats-Unis, il épouse en 1809 Marie-Amélie de Bourbon, princesse des Deux-Siciles dont il a dix enfants. Louis-Philippe revient en France sous la Restauration et récupère une partie de ses biens. Admirateur du régime britannique qu'il prend pour modèle, la Révolution de 1830 l’amène au pouvoir. Louis-Philippe est alors proclamé Roi des Français par la Chambre des députés et le reste jusqu’à la Révolution de 1848. Il est le dernier roi à avoir effectivement régné en France.
Le château d'Eu devient l'une de ses résidences favorites. Le domaine connaît un grand nombre de modifications sous l’impulsion de Louis-Philippe. Passionné d’architecture et d’histoire, c’est avec lui que le domaine connaîtra ses plus grands développements. Dès 1827, l’architecte Pierre-Léonard Fontaine commence les aménagements pour rendre le château plus confortable. Les tableaux hérités de la Grande Mademoiselle sont restaurés et de grandes commandes sont passées aux meilleures maisons de l’époque pour meubler le château. Avant de construire les bâtiments, plusieurs maisons entre la collégiale et le château furent achetées, puis démontées. La démolition de l’abbaye, pendant la Révolution, laissa également suffisamment de surface à l’architecte Pierre-Léonard Fontaine pour l’établissement du nouvel ensemble. Les travaux commencèrent en 1827 pour s’achever deux ans plus tard pour le gros œuvre.
Le roi Louis-Philippe complète, en 1844, les dépendances du château par l’adjonction d'un nouveau groupe de bâtiments, de l’autre côté de la place Isabelle d’Orléans-Bragance. Longeant l’actuelle rue Jean Duhornay, cet ensemble de constructions est vendu en 1848, suite à la chute de la monarchie de Juillet, une première fois en 1852 puis en 1855 à la ville d’Eu. La municipalité y établit son nouvel hôtel de ville. Outre la mairie, la justice de paix, le tribunal de commerce et l'école, le programme prévoyait l’installation d’un théâtre qui existe encore aujourd’hui.
Pendant son règne, Louis-Philippe y reçoit à deux reprises la reine d'Angleterre, Victoria, en 1843 et 1845, initiant ainsi l'Entente cordiale entre la France et le Royaume-Uni. Une galerie Victoria sera aménagée au château d'Eu en 1845, pour commémorer ces visites diplomatiques. Elle abritait plusieurs œuvres des peintres Winterhalter, Isabey, Morel-Fatio ou Lami, retraçant les grandes étapes de l’Entente cordiale. Cette galerie a été démolie dans les années 1870, lors de travaux de rénovation.
Cependant, après la révolution de 1848, et après l’abdication de Louis-Philippe, la maison d'Orléans doit s'exiler et se retire outre-Manche, le domaine est de nouveau mis sous séquestre. A la mort de son père, le duc d’Orléans, Louis Philippe Albert d'Orléans (1838-1894) est titré, à sa naissance, comte de Paris. Il devient l’héritier du trône de son grand-père, le roi Louis-Philippe. De retour en France en 1871, le petit-fils de Louis-Philippe, le comte de Paris, reprend possession de son château d'Eu, après la chute du Second Empire, où il fait faire d'importants travaux, dirigés, à partir de 1872, par l'architecte Eugène Viollet-le-Duc. Eugène Viollet-le-Duc s’attelle à cette tâche de 1874 à 1879. Il équipe le château d’un nouveau système d’éclairage et d’un chauffage central. Il dessine en outre les décors et une partie du mobilier qui constituent encore aujourd’hui les intérieurs du Musée Louis-Philippe.
Le parc du château d'Eu fut alors doté de nouvelles constructions, notamment pour améliorer la circulation de l’eau et sa qualité ou pour alimenter le château en gaz. Les ouvrages plus anciens, comme le Pavillon Montpensier conçu au XVIIe siècle., la fontaine du jardin français ou la table des Guises furent restaurés. La richesse et la cohérence de ce chantier est représentatif du travail de cette personnalité phare du XIXe siècle, tant influencée par l’histoire des techniques que par ses propres recherches dans le domaine de la restauration. Louis-Philippe, comte de Paris part à nouveau en exil en 1886 après qu'une loi ait été votée, obligeant les chefs des familles ayant régné en France et leur fils aîné à quitter le territoire national. Le comte de Paris meurt en Angleterre et du fait de la loi d’exil, son corps ne sera inhumé à la chapelle royale de Dreux qu’en 1958.
Le 11 novembre 1902, un incendie ravage la quasi-totalité de la partie Sud du château. Isabelle de Bragance, héritière du trône impérial du Brésil, fille de l’empereur Pedro II, et son époux Gaston d’Orléans, titré comte d’Eu et petit-fils de Louis-Philippe, achètent en 1905 le château d’Eu à leur cousin, le duc d’Orléans, fils du comte de Paris. Ils menèrent courageusement sur le château les restaurations. Cette lourde tâche fut poursuivie par leur fils aîné, le prince Pierre d'Alcantara, père de feue la comtesse de Paris, morte en 2003. Celle-ci fut, avec ses frères et sœurs, la dernière propriétaire du château, issue de la famille d’Orléans. Le couple Orléans-Bragance engage une campagne de restauration de l'édifice, et lui restitue son éclat antérieur, sans toutefois rétablir tous les anciens décors intérieurs. À cette époque, la famille d'Orléans possède également la forêt d'Eu, jusqu'à ce qu'en 1913, cet important domaine est acquis par l'État pour 9/10 et par le département de la Seine-Inférieure pour 1/10.
Le comte d’Eu, devenu veuf, meurt en 1922 lors d’une traversée qui devait le mener au Brésil pour la célébration du centenaire de l’indépendance du pays. Les objets et les souvenirs que le comte et la comtesse d’Eu ont amené avec eux du Brésil sont à l’origine du fonds de collections extra-européennes du Musée Louis-Philippe. Leur fils, Pierre d'Alcantara d'Orléans Bragance, poursuit les travaux de restauration du château d'Eu, jusqu'à sa mort en 1940. Le château est occupé par les Allemands pendant la Seconde Guerre mondiale, puis le château est finalement mis en vente dans l'après-guerre, en 1954, par les héritiers du prince, la comtesse de Paris et ses frères et sœurs.
Après de multiples péripéties, la ville d’Eu se porte acquéreuse en 1964. Après avoir acquis le château, la municipalité y installe en 1973 la mairie, dans la partie sud, tandis que le musée Louis-Philippe est créé dans la partie nord. Celui-ci conserve, notamment, de nombreux souvenirs de la maison d'Orléans.