Situé dans une riche plaine agricole, Caen est un bon exemple de ce qu'on peut appeler un "bourg castral", il connaît un rapide développement le long de la rive gauche de l'Odon. Il est donc possible qu'un premier élément fortifié, une enceinte linéaire de fossés et de palis, ait existé vers 1025, date à laquelle Caen est qualifié de burgus (bourg) dans une charte de Richard II. C'est le duc de Normandie Guillaume II faisant de Caen la capitale de son duché, alors simple agglomérat de villages, sans forteresse ni fortification, qui met en place une véritable citadelle à partir de 1060 sur un éperon calcaire, qu'il isole par un fossé, dominant la basse vallée de l'Orne.
Marqué par la rébellion des barons du Cotentin pendant sa jeunesse, Guillaume de Normandie dit le Bâtard souhaite disposer d'un point d'appui sûr en Basse-Normandie. Le site de Caen, à proximité de la mer et à équidistance de Rouen et du Cotentin, est donc choisi par Guillaume afin d'y construire sa forteresse. La construction du château, au même titre que la fondation des deux abbayes caennaise, l'Abbaye aux Hommes et l'Abbaye aux Dames, montre la volonté du souverain d'établir une deuxième capitale dans la partie occidentale du duché de Normandie.
Toutefois, dès ses origines, le château de Caen semble être davantage une résidence princière où le duc-roi exprime sa puissance et son prestige qu'une forteresse au rôle militaire affirmé. L'élément le plus important du château est en effet le palais constitué d'appartements privés destinés à la famille princière, d'une chapelle et surtout d'une Grande Salle, salle d'apparat. Certes, le château est protégé par les fossés et par l'escarpement rocheux, retaillé pour être plus abrupt, et dès la fin du règne de Guillaume le Conquérant, la simple palissade qui devait ceinturer le plateau a été remplacée par une muraille de pierre.
Le fils de Guillaume, Henri Ier d'Angleterre, construit un donjon à proximité de la tour-porte. Construit vers 1120, il fait partie des nombreuses tours construites par le roi d'Angleterre après sa reprise en main du duché de Normandie. Plus ou moins à la même époque, le roi d'Angleterre fait également construire une nouvelle Grande Salle, aujourd'hui connue sous le nom de salle de l'Échiquier. Deux fois plus grande que la précédente, elle permet de répondre au faste de la cour royale. Dans la deuxième partie du XIIe siècle, l'intérêt militaire que portent les souverains anglais au château de Caen s'amoindrit.
En 1204, la ville et le château de Caen font leurs soumissions à Philippe Auguste trois jours avant que ce dernier n'arrive à Caen faisant marche sur la ville après avoir pris Falaise. Comme ailleurs dans le duché, le roi de France entreprend d'importants travaux afin de moderniser la forteresse. Puis, le château de Caen n'est plus une résidence princière et les visites royales se font rares ; Saint Louis en 1256 et 1269, Philippe le Bel en 1307 et 1310, Louis X le Hutin en 1315, qui y promulgue la Charte aux Normands. Henri IV serait le dernier à y séjourner le 12 septembre 1603, ses successeurs préférant loger en ville lors de leur passage à Caen.
Au XIVe siècle, l'intérêt stratégique du château se trouve réaffirmé lors de la guerre de Cent Ans. La forteresse devient un élément clé du dispositif de défense de la Normandie. Des travaux de défense sont effectués après la prise de Caen en 1346. De 1467 à 1468, le capitaine du château et sa garnison prennent le parti de Charles de France, duc de Normandie (1465-1469), contre son frère, le roi Louis XI et les troubles liés à la guerre de la ligue du Bien public. François de Silly, bailli de Caen à partir de 1503, fait renforcer les murailles du château en accumulant d'épaisses masses de terre le long des remparts afin d'augmenter leur résistance à l'impact des boulets.
Dans le conflit qui oppose Louis XIII à sa mère, Marie de Médicis, le duc de Longueville et gouverneur de Normandie, Henri II d'Orléans-Longueville, prend le parti de la reine-mère et refuse d'obéir aux ordres royaux. À partir du XVIe siècle, l'usage purement militaire du château tend à se confirmer. La population civile déserte peu à peu l'enceinte castrale. Le nombre de militaires fluctue avec le temps. Après 1450, la garnison se compose de 50 hommes en armes et de 100 archers. Pendant la période d'agitation liée aux guerres de Religion, très violentes en Normandie, l'effectif remonte jusqu'à 250 têtes, avant de retomber à 50 le siècle suivant. À la fin du XVIIe siècle, sous le règne de Louis XIV, est construit un hôtel des Invalides.
Le château est également utilisé régulièrement comme prison. Des geôles sont mentionnées dès 1184-1185 à l'angle sud-est de l'enceinte et vers la porte des Champs ; cette prison est transférée au XVe siècle lors de l'occupation anglaise dans la rue Cattehoule et devient la geôle du bailliage qui donne son nom à la rue. À partir de cette période, la différenciation entre prisonniers militaires et civils est de plus en plus nette. Le 18 juillet 1789, le peuple s'empare du château et confisque les armes qui y sont entreposées. Charles François Dumouriez, nommé gouverneur depuis peu de temps, accepte d'arborer la cocarde tricolore et la situation revient rapidement au calme. Pendant le reste de la Révolution française, le château est régulièrement utilisé comme prison par la ville qui peut ainsi isoler ceux qui sont identifiés comme étant des ennemis de la Révolution.
Jusqu'à la fin du XIXe siècle, le château occupe une place subalterne dans l'appareil militaire national et régional. En 1811, alors même que le blocus des ports normands par les Anglais se resserre, Napoléon Ier fustige dans une lettre adressée à son ministre de la Guerre les travaux de restauration de la porte Saint-Pierre. Inadapté au nouveau type de conflits, le château est sauvé par son importance pour le maintien de l'ordre dans une ville jugée trop frondeuse. Le 23 juillet 1881, le château est définitivement rayé du tableau des places fortes, mais reste dans le domaine d'État affecté au département de la Guerre. La situation change toutefois sous la Troisième République. La défaite de 1870 amène les autorités à réorganiser totalement l'appareil militaire national et notamment son implantation territoriale.
Après la reddition de la France, les troupes du Troisième Reich occupent le château. Mal entretenus pendant des années, les bâtiments sont très vétustes ; à tel point qu'en 1941, le front sud des remparts s'effondre. Pendant le débarquement de Normandie, des Anglais et des Canadiens y sont emprisonnés. Pendant la bataille de Caen, le secteur du château est la cible des bombardements aériens et des tirs d'artillerie. Le château et ses abords sont sérieusement endommagés. À la fin du déblaiement des ruines de Caen en 1946, le château, qui n'était plus visible des Caennais depuis plus d'un siècle et demi du fait de la destruction du donjon et de l'envahissement des fossés par les habitations, réapparaît. Il est décidé de restaurer et de mettre en valeur cet ensemble qui surplombe la ville. Le château est restauré dans son état le plus proche de l'époque médiévale.
Aujourd'hui, l'enceinte du château Ducal de Caen, qui pour l'essentiel est l’œuvre d'Henri Ier Beauclerc, délimite un espace de plus de cinq hectares (Il faut savoir que c’est l’une des plus grandes enceintes castrales d’Europe) qui renferme de nos jours : les vestiges du donjon, non ouverts au public ; le logis du gouverneur (actuel musée de Normandie) ; le cavalier d'artillerie et les salles du Rempart (salles d'exposition du musée de Normandie) ; le musée des Beaux-Arts de Caen, bâtiment moderne à demi enterré, près de la Porte-des-Champs ; l’église Saint-Georges, centre d'accueil et d'interprétation ; la salle de l'Échiquier en référence à l'Échiquier de Normandie (salle d’exposition temporaire pour le musée de Normandie) ; le jardin des simples, reconstitution d'un jardin médicinal du Moyen Âge. Une grande partie des remparts est accessible tous les jours et gratuitement au public, offrant une magnifique vue sur la ville.
Les enfants profiteront de l'aire de jeux aménagée à proximité du jardin des simples. L'ancienne église Saint Georges abrite un point d'accueil, une boutique et un point de vente des billets pour le musée de Normandie et le musée des Beaux-Arts. À découvrir également : l'espace souterrain de la Salle des Remparts, dédiée aux expositions du musée de Normandie. Depuis décembre 2019, les remparts s'illuminent la nuit pour mettre en valeur ce monumental édifice du XIe siècle. Un monde à part en plein centre-ville à (re) découvrir !