Die Anfänge von Schloss Leonberg gehen auf Graf Ulrich I. von Württemberg (1226–1265) zurück. Nach dem Ende der Stauferherrschaft in Schwaben gründete er um 1248/49 im Zuge territorialer Erweiterung der Grafschaft Württemberg die Stadt Leonberg, die damit zu den ältesten württembergischen Städten zählt. In der Südwestecke der Stadt errichtete er eine Burg. Herzog Christoph (1515–1568) ließ diese Burganlage, wie viele andere Burgen im Land, in den Jahren 1560 bis 1570 zum Schloss umbauen. Er demonstrierte damit Macht und Präsenz und setzte die Baupolitik des Vaters fort, die der Sicherung des neu erstarkten Herzogtums Württemberg galt.
Pläne für den Umbau lieferte der Baumeister Aberlin Tretsch, die Umsetzung erfolgte durch Silvester Berwart dem Jüngeren. Es entstand eine dreiteilige Gebäudereihe, bestehend aus dem dreigeschossigen Schloss- und Wohnbau in der Mitte, dem sich östlich anschließenden Marstall und dem nach Westen abschließenden Fruchtkasten. Im Inneren hatte der Herzog das Bauwerk im Stil der Zeit mit Kassettendecken und Portalen ausgestalten lassen.
Herzog Christoph nutzte das Schloss bis zu seinem Tod für allerlei Lustbarkeiten, vorwiegend aber als Jagdschloss. Ursprünglich war die Hofanlage durch Wirtschaftsgebäude allseitig abgeschlossen. Im Gegensatz zur tristen Südseite war die Fassade repräsentativ gestaltet. Hier nämlich zeigte sich der Herzog seinen Untertanen und "hielt Hof".
Die Herzogin Sibylla von Württemberg, geborene Anhalt-Zerbst-Bernburg (1564–1614), zog 1609 nach dem Tod ihres Gatten Friedrich I. von Württemberg ins Leonberger Schloss und ließ es von Heinrich Schickhardt zum repräsentativen Witwensitz umgestalten. An der Südseite des Schlosses baute Schickhardt eine auf vier Arkaden gestützte Altane an, die auf der noch heute dort verlaufenden Stadtmauer liegt und vom Zimmer der Herzogin aus betreten werden konnte. Von hier aus konnte man direkt auf den ebenfalls von Schickhardt neu angelegten Lustgarten sehen.
Das Schloss wurde noch mehrfach als Wohnsitz genutzt. Von Anna Sabina von Holstein-Sonderburg, Witwe des Herzogadministrators Julius Friedrich, wird berichtet, dass sie von 1649 bis 1659 im Schloss ihren Lebensabend verbrachte, da ihr Heimatschloss zerstört war. Magdalena Sibylla von Hessen-Darmstadt, Witwe Herzog Wilhelm Ludwigs, sollte 1677 bis 1712 das Schloss genutzt haben.
1765 versuchte Herzog Karl Eugen, das Schloss an die Stadt Leonberg zu verkaufen. Es scheiterte an der mangelnden Finanzkraft der Leonberger Bürgerschaft. Seit dem späten 18. Jahrhundert wurde das Gebäude als Amtssitz genutzt. Die kleinen Wirtschafts- und Nebengebäude, die einst den Schlosshof nördlich begrenzt hatten, mussten zwischenzeitlich einem Autoparkplatz weichen.