Le chateau a été construit à la fin du XVième siècle pour Philippe de Théméricourt, puis remanié aux
XVIIe et XIXe siècles.
Les façades sur le parc ont reçu leur configuration actuelle en 1721, sous Louis Chevalier, président du Parlement de Paris. L'édifice se compose de deux corps de logis à un étage disposés en équerre, la partie la plus ancienne étant flanquée de quatre tours rondes coiffées de toits en poivrière : trois côté église et un à l'angle entre les deux ailes.
Le château est entouré d'un beau parc à l'anglaise agrémenté d'une pièce d'eau. Dans une période récente, le château est acquis par l'ancien président de la République d'Haïti, Jean-Claude Duvalier, qui le vide de son mobilier historique. Après que cet occupant est contraint de quitter la France, le château est rapidement réhabilité afin d'accueillir le siège du Parc naturel régional du Vexin français à compter de 1995.
Aujourd'hui, le chateau de Théméricourt abrite la maison du Parc et Le musée du Vexin français.