Attestée dès 1410, la seigneurie de Villarceaux constitue une importante propriété agricole regroupant un manoir, plusieurs fermes, un moulin, des viviers, des vignes et des jardins. Située à proximité du prieuré Sainte-Marie-Madeleine, elle partage avec celui-ci une ressource essentielle : les nombreuses sources naturelles qui alimentent le site. 

Le domaine connaît au XVIe siècle une importante transformation : le manoir d’origine est agrandi et élevé au rang de château. Cette évolution due à la famille de Mornay s’accompagne d’un réaménagement des abords selon le goût de la Renaissance, marqué par l’influence italienne. Les jardins et les plans d’eau adoptent une composition plus ornementale : les anciennes douves sont converties en bassins d’agrément, et les nombreuses sources naturelles sont mises à profit pour alimenter de nouveaux jeux d’eau. 

Villarceaux abrite les amours de Louis de Mornay, marquis de Villarceaux, et de Ninon de Lenclos, célèbre courtisane et femme de lettres. Le manoir de Ninon a conservé des décors intérieurs peints de cette époque ainsi qu’un portrait de Françoise Scarron, future Madame de Maintenon. 

Charles-Jean-Baptiste du Tillet, marquis de la Bussière et petit-neveu du marquis de Villarceaux, hérite du domaine au début du XVIIIᵉ siècle. Il fait construire le château du Haut, élégante demeure dominant le vallon et le parc, puis fait démanteler l’ancien château. 

Le domaine demeure une vaste propriété agricole et une résidence secondaire, les nouveaux propriétaires font construire des pavillons de chaque côté de la grille d’honneur et une orangerie à proximité du château. Le moulin est transformé en scierie tandis que la ferme et les vestiges du château « du bas » sont délaissés.

Le domaine est classé au titre des monuments historiques à la fin de la première moitié du XXe siècle.

En 1989, la Région Île-de-France s’engage à assurer :

• Sa restauration,
• Son entretien,
• Sa promotion,
• Son ouverture au public.

Le tout, dans le cadre d'un bail emphytéotique (99 ans) signé avec la Fondation Charles Léopold Mayer.

À partir des années 1990, le domaine accueille ses premiers visiteurs. L’Agence régionale des espaces verts de la Région (devenue Île-de-France Nature) s’engage dans la restauration d’une grande partie des jardins.

En 2004, le parc reçoit le label « Jardin remarquable ».