Le château fut fondé au xie siècle. Il appartenait aux seigneurs de Chambéry. En 1232, le comte Thomas Ier de Savoie acquiert, du vicomte Berlion, seigneur de Chambéry, une partie du bourg.
En 1295, Amédée V, comte de Savoie, se rend acquéreur du château de Chambéry. Il entreprend de grands travaux de fortification. Il apporta des aménagements résidentiels en vue d'accueillir l'administration des États de Savoie et la vie de Cour.
Dès la fin du xiiie siècle, des travaux considérables sont entrepris ; ils comprennent la surélévation de la butte fortifiée, la construction des bâtiments de la porterie et, au cours des xive et xve siècles, ceux situés autour de l'actuelle cour d'honneur.
Des tours défensives sont édifiées : la Tour Trésorerie (xive-xve), la Tour demi-ronde (1398) et la Tour du Carrefour ou Tour des Archives (1439).
En 1408, le comte Amédée VIII, futur premier duc de Savoie, décide d'ériger une chapelle neuve de style gothique flamboyant achevé durant l'année 1430. Cette chapelle abrita, de 1502 à 1578, le Saint-Suaire. En 1466, elle est citée dans une Bulle du Pape sous le nom de Sainte-Chapelle du Saint Suaire. La même année, sous l'égide de l'architecte Blaise Neyrand, il est édifié un clocher pour la chapelle. Dans le clocher (ou tour Yolande), est installé le Grand carillon qui sonne de ses 70 cloches. Œuvre de la fonderie Paccard à Sevrier, c'est le quatrième plus grand carillon au monde et le premier d'Europe. Un concert a lieu les premier et troisième samedis de chaque mois à 17h30. En 1532, un incendie endommage gravement le château.
Le château reçoit la cour itinérante du prince ; il devient ainsi « l'Hôtel de Savoie ». Tout en gardant un rôle de forteresse, il est alors le siège de l'administration (Trésor des Chartes, Conseil Résident, Chambre des Comptes).
Après le transfert de la capitale des États de Savoie de Chambéry à Turin (1563), le château demeure une résidence ducale et un siège administratif. Il héberge la Chambre des comptes, le Gouvernement de Savoie ainsi que l'Intendance générale.
À l'intérieur, on peut y admirer de remarquables vitraux du xvie siècle, restaurés en 2002.
Au début du xviie siècle, le gouverneur Don Félix de Savoie fait aménager le Pavillon à l'emplacement du jardin jouxtant la Tour Trésorerie et le grand parterre ; puis la duchesse Christine de France fait reconstruire la façade de la Sainte-Chapelle (1655-1663) par Amedeo di Castellamonte.
Le château sera marqué par deux incendies au xviiie siècle. Sous l'occupation espagnole, en 1743, le feu cause la perte d'une partie des appartements royaux.
Si des projets de reconstruction sont envisagés, ils n'aboutissent pas faute de moyens. Il faut attendre 1775 et le mariage du futur roi Charles-Emmanuel IV avec la sœur de Louis XVI pour que des travaux soient engagés (prolongation du château vers le Pavillon et édification d'un escalier monumental, par l'architecte Piacenza).
En 1786, une nouvelle aile royale est édifiée, mais elle est endommagée en 1798 par un mystérieux incendie qui fait disparaître le Pavillon. Dans la nuit du 23 au 24 février 1798, le château est en partie détruit par incendie, emportant ainsi les documents relatifs à la vente des biens nationaux, exception faites de ceux concernant les districts de Chambéry et de Carouge. Il ne subsiste du « Château National » (1792) que l'Aile royale et la Tour demi-ronde, isolée, en face de la Sainte-Chapelle et du bâtiment médiéval.
À partir de 1800, les premiers préfets engagent des travaux de restauration. En 1802, le château est affecté à la préfecture et au Conseil général du département du Mont-Blanc.
Napoléon Ier, de passage à Chambéry en 1805, commande deux projets de reconstruction. Celui qu'il choisit transforme l'Aile royale en appartement impérial. En 1820, lors de la Restauration sarde, le roi Charles-Félix fait rénover la Sainte-Chapelle. Le roi Charles-Albert la fait décorer de peintures en trompe-l'œil (1836) par Casimir Vicario.
Dans son clocher, est installé actuellement un Grand carillon composé de 70 cloches. C'est le quatrième plus grand carillon au monde et le premier d'Europe.
En 1844, le roi met à la disposition de la Société d'histoire naturelle de la Savoie une partie des jardins du château et la maison du jardinier (actuel Museum). Le roi Victor-Emmanuel II poursuit la reconstruction du corps de logis central.
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