Das Schloss ist an der Stelle des früheren römischen Castells Lentia entstanden. Die erste bekannte Erwähnung stammt von 799. Unter Kaiser Friedrich III. wurde 1477 die Burg zu einem Schloss umgebaut und diente ihm von 1489 bis 1493 als Residenz. Aus dieser Zeit stammt das heute noch erhaltene Friedrichstor. 1600 ließ Kaiser Rudolph II. das Schloss nach Plänen des niederländischen Baumeisters Anton Muys um- und ausbauen. Neben dem mächtigen viergeschossigen Blockbau mit zwei Innenhöfen entstand nun auch das Haupttor zur Stadt (Rudolfstor, 1604).
Während der bayrischen Pfandherrrschaft 1620 bis 1628 residierte Adam Graf von Herberstorff als Statthalter im Schloss. Herberstorff verstärkte im Hinblick auf eine drohende Belagerung durch die Bauern die Befestigungsanlagen rund um das Schloss. Im Jahr 1626 kam es dann schließlich zur Belagerung durch die aufständischen Bauern. 1783 übersiedelte der Landeshauptmann mit seinen Ämtern in das Landhaus.
Während der Franzosenkriege diente das Schloss als Lazarett. Der Stadtbrand im Jahr 1800 ging von hier aus. Bei diesem Brand wurden der Südflügel und ein Teil des Quertraktes zerstört. Im Jahr 1811 diente das Gebäude als Provinzialstrafhaus, in den Jahren 1851 bis 1945 als Kaserne für Soldaten. Zwischen 1953 und 1963 erfolgte der Ausbau und die Restauration des Gebäudes zum Schlossmuseum der oberösterreichischen Landesmuseen.