הטירה הוקמה במחצית השנייה של המאה ה-13 על ידי הרוזן האנגלי גילברט דה קלר כחלק מהמאמץ האנגלי להשתלט על גלמורגן בדרום ויילס. לאורך תקופת בניית הטירה ובשנים שלאחר מכן, היא הותקפה מספר פעמים על ידי שליטים וולשיים, בהם ל'ואלין אפ גריפיד' ובמהלך המרידות הוולשיות של מאדוג אב ל'ואלין ול'ואלין ברן. עד לאמצע המאה ה-15 הטירה שימשה מעוז כוח חשוב למרשרים ולשליטה האנגלית בדרום ויילס, ב-1486 ירש אותה רוזן פמברוק ומאז החלה בתהליך הזנחה וחוסר שימוש מאחר שמגורים בקארדיף הסמוכה הועדפו על פניה.

לאחר שנים רבות של הזנחה הטירה הגיעה למצב קשה כאשר מספר מגדלים קרסו ואבנים נלקחו על ידי תושבי האזור. ב-1776 משפחת ביוט ירשה את הטירה והקרקעות והחלה בתהליך בלימה של ההרס למבנה הטירה ולאורך השנים ביצעה עבודות תחזוקה ושיפוץ לחלקים ההרוסים. החל מאמצע המאה ה-19 המשפחה התעשרה מאוד מתעשיית הפחם בדרום ויילס, מה שאיפשר לאדוני ביוט להשלים מספר שיפוצים נרחבים שהביאו את הטירה למעמדה הנוכחי, בהם תיקון מערכת הביצורים החיצונית ובניית שער הכניסה המרשים.

בשנת 1950 מרקיז ביוט החמישי העניק את הטירה והאדמות לרשויות הממלכה המאוחדת ובשנות ה-50 וה-60 התבצעו עבודות תחזוקה נרחבות סביב הטירה ומולאו מחדש האגמים המלאכותיים. כיום הטירה מוגדרת כמבנה לשימור מדרגה I והיא מנוהלת על ידי ביצורי הטירה משלבים גופי מים מלאכותיים ומערכת סכרים וחומות נרחבת סביב הטירה, מה שהופך אותה לטירה השנייה בגודלה בממלכה המאוחדת. טירת קרפילי נחשבת לטירה הראשונה באי הבריטי שנבנתה בצורה קונצנטרית. הטירה כיום מנוהלת בידי Cadw והיא פתוחה לציבור הרחב וזוכה למספר רב של מבקרים לאורך השנה.