Van in de twaalfde eeuw stond hier een burcht van de Heren van Heverlee. Zij waren 'schenkers' en 'kamerheren' van de hertogen. De heerlijkheid Heverlee bestond uit Heverlee, Oud-Heverlee, Vaalbeek en Bertem.
In 1446 werd Heverlee verkocht aan Antoon de Croy, Heer van Chièvres, die ook reeds Heer van Bierbeek en Blanden was. Hij bezat ook het oude graafschap Aarschot. Hij was één der grootste heren van Brabant. Antoon de 
Croy was een goede vriend van Philips de Goede.
Zijn zoon, Willem de Croy, opvoeder van keizer Karel, bouwde het huidige kasteel in het begin van de zestiende eeuw.
De weduwe van Willem de Croy, Maria van Hamale, markiezin van Aarschot, bouwde in 1521 het celestijnenklooster. De kerk van het klooster bevatte prachtige graftomben van de familie de Croy. Het klooster werd verwoest tijdens de Franse revolutie. Er resten nu nog overblijfselen van de hoeve van het klooster (de huidige bibliotheek van de faculteit Wetenschappen).
In 1612 kwam het kasteel aan Anna de Croy, gehuwd met prins Karel van Arenberg, uit een oud geslacht van het keizerrijk. Dit roemrijke geslacht zou het kasteel tot in de twintigste eeuw bewonen.
De laatste hertog die het kasteel bewoonde was Engelbert-Marie , negende hertog van Arenberg (1872-1949). Hij schonk samen met zijn moeder 200 000 fr. aan de universiteit waarmee het Scheikundig Instituut in de Naamsestraat kon worden opgericht (het Arenberginstituut, nu het STUK). Nog voor de eerste wereldoorlog had hij bovendien het inzicht te kennen gegeven dat hij zijn kasteel aan de universiteit wou schenken, ter bevestiging van de eeuwenoude banden tussen zijn geslacht en de universiteit.
Om zijn geschenk nog nuttiger te maken had hij zich tevens bereid verklaard een gedeelte van zijn park (25 ha) tegen gunstvoorwaarden te verkopen. Toen de eerste wereldoorlog uitbrak liet deze Belgische edelman van Duitse bloede zich als Pruisisch officier inlijven bij het leger van de keizer. Zo werden in 1918 al zijn goederen in België onder sekwester geplaatst. Desondanks kon de universiteit in 1921 de aangeslagen goederen toch nog verwerven. De universiteit, die te kampen had met nijpend plaatsgebrek in de stad, kreeg nu eindelijk uitgebreide expansiemogelijkheden. Reeds in 1922 werd de eerste steen gelegd van de Instituten voor Mechanica, Metallurgie en Industriële Scheikunde. De overblijvende 35 hectaren van het domein konden later, onder impuls van graaf Eugène de Grunne, aangekocht worden (“Boerenkot en Sportkot”).
Het kasteel
Het werd gebouwd in renaissancestijl met enkele laatgotische elementen op de kapel.
Op het scherpe dak van de hoektorens staan twee peerspitsen met de Oostenrijkse dubbele adelaar ter herinnering aan Keizer Karel. Midden de arenden werden later de wapens van Arenberg aangebracht. Prachtige Franse tuinen werden rond het kasteel aangebracht. Op het plein voor het kasteel werden in de middeleeuwen vele steekspelen ingericht.
De 'blinde hertog' Lodewijk-Engelbert, sterk geïnteresseerd in de ballonvaart, liet in 1783 een met steenkoolgas gevulde ballon opstijgen vanuit het kasteelpark. Het steenkoolgas was op zijn verzoek uitgevonden door professor Minckelers(zie standbeeld op het Kantineplein).
In 1966 vond de restauratie van de gevel, links van de kapel, plaats. De oude vensterindeling werd hersteld en in 1984 herstelde men de zolders en de dakbedekking en bracht men een paar hedendaagse vormgevingen aan, o.a. het halvemaanvenster boven de ingang.
De Oude Kantien is de voormalige afspanning van het kasteel .
In samenwerking: Herman Cooreman en Yvette Toison, 25 februari 2012