El origen de esta fortaleza se remonta a un alcázar que levantaron los andalusíes sobre un antiguo castro celtibérico entre los siglos X y XI, y en el que situaron su residencia los reyes que gobernaban esta taifa. El historiador árabe Ibn al-Atir habla del «caíd Ibn Galbun» como defensor de Córdoba ante su ataque por parte de Alfonso VII de Castilla. Este caíd Ibn Galbun, evidentemente, se ha relacionado con el Abengalbón del Cantar de mio Cid, de quien se dice que «tiene» a «Molina» y se le describe como amigo y colaborador en empresas bélicas del Cid del Cantar, con el título de «alcaide».[1]​

Situado en un lugar estratégico para dominar los caminos entre Aragón y Castilla, fue lugar de disputas, hasta que definitivamente fue arrebatado a los andalusíes por Alfonso I de Aragón en el año 1129, que mandó reconstruirlo, dándole su aspecto actual de castillo románico, y que lo entregó a la familia de los Lara. Desde esta fortaleza los Lara gobernaron en el territorio y la villa de Molina hasta finales del siglo XIII. Luego pasó a ser señorío de los reyes de Castilla, al casarse doña María Lara con Sancho IV de Castilla. Durante casi dos siglos mantuvo cierta independencia de sus señores, y la villa de Molina a medida que fue haciéndose más grande fue más cuidada por sus señores, que fueron añadiendo elementos al castillo, hasta que finalmente la quinta señora, doña Blanca de Molina, acabó de darle el tamaño y el aspecto actual.

En 1875 el castillo fue asaltado por las tropas carlistas del general Vallés. Durante todo el siglo XIX el castillo fue utilizado como cuartel y a principios del siglo XX el castillo fue definitivamente abandonado por los militares.

En 1985, una fotografía del castillo fue portada del disco Songs, del grupo noruego Fra Lippo Lippi. En el año 2005 apareció, invertido horizontalmente, en un sello de correos de la serie larga de castillos españoles.