Trojský zámek vybudoval v letech 1679–1685 hrabě Václav Vojtěch ze Šternberka jako své letní sídlo a pobýval zde se svou chotí Klárou a dcerou. Autory projektu byli Giovanni Domenico Orsi a později Jean Baptiste Mathey, stavitelem byl Silvestro Carlone. V roce 1685 byla založena přilehlá zahrada a roku 1697 byla postavena terasa a hospodářské budovy v okolí zámku. Po rodu Šternberků zakoupila zámek pro ústav šlechtičen Marie Terezie a sama tu také několikrát pobývala. Poslední soukromý majitel, statkář Alois Svoboda, v roce 1922 věnoval zámek, včetně rozlehlých pozemků pro zřízení zoologické a botanické zahrady, mladé Československé republice. V letech 1977–1989 prošel zámek rozsáhlou rekonstrukcí. Při povodni v roce 2002 byl zaplaven sklep a přilehlá zahrada.

Ještě v polovině 17. století se na místě dnes nejkrásnějšího barokního zámku v Čechách nacházela jen bezvýznamná knížecí venkovská usedlost, jejíž majitelkou byla Alžběta Polyxena Dembinská. Tehdy se okolní vesnice jmenovala Zadní Ovenec, pravděpodobně podle knížecího ovčince, který patřil k Alžbětině selskému dvoru.(Název Troja nejdříve patřil pouze zámku a až v 18. století se přenesl na celou obec. Je odvozen od výzdoby zámku antickými motivy, mimo jiné i výjevy z trojské války.) Když ovšem kněžna Dembinská přestala stačit na správu celé usedlosti, prodala ji v roce 1669 za velmi výhodnou cenu hraběnce Ludmile Benigně Šternberkové. Právě její syn hrabě Václav Vojtěch ze Šternberka zde roku 1678 zahájil stavbu Trojského zámku, který se měl stát jeho reprezentačním sídlem. Roku 1679 byl stržen původní dvůr s renesančními fasádami a na jeho místě vznikl podle návrhu francouzského architekta Jeana Baptista Matheye zámek v duchu klasicizujícího baroka. Tento slavný architekt při stavbě Trojského zámku využil i znalostí ze svého dlouhého pobytu v Itálii a nechal se inspirovat římskými příměstskými vilami italských šlechticů. Středem dvoupatrového zámku je Velký sál, který prostupuje obě patra a z něj vybíhají na dvě strany chodby s enfiládou pokojů. Vzhledem k tomu, že zámek se nedal zateplit, byl využíván pouze v letním období. Stavební aktivita Václava Vojtěcha ze Šternberka se ovšem neomezila jen na samotnou budovu Trojského zámku. Do zámeckého areálu dále náleží dnes již nefunkční pivovar, mlýn, dvě oranžerie, konírna a další hospodářské a správní budovy.

Rozlehlá zahrada Trojského zámku ve francouzském stylu vznikla až na přelomu 17. a 18. století jako mistrovská práce zahradního architekta Jiřího Seemana s řadou fontánek a unikátním bludištěm. Na svazích za zámkem vyrostly ve stejnou dobu rozlehlé vinice a v jejich středu se na vrcholu kopce nachází kaple sv. Kláry, zasvěcená této světici podle Šternberkovy manželky Kláry z Malzanu.

Také vnitřní výzdoba Trojského zámku byla svěřena do rukou těch nejpovolanějších a nešetřilo se na ní finančními prostředky. K malířským pracím byli povoláni Carpoforo Tencalla, Francesco Marchetti a jeho syn Giovanni, kteří se nechali tematicky inspirovat antickými mýty. Mathey, který na celou stavbu i výzdobu dohlížel, nejdříve svěřil těmto třem umělcům výmalbu méně rozlehlých prostor ( mimo jiné i zámecké kaple) a ačkoliv byl s jejich výkonem víceméně spokojen, nezdála se mu jejich práce dostačující na vyzdobení velkého sálu, který je centrální a nejdůležitější místností celého zámku. Proto najal na tento náročný úkol dva vlámské malíře Abrahama a Izáka Godynovy z Antverp. Ti se tohoto údělu zhostili skutečně svědomitě a sál se stal nejkrásnější místností. Je vyzdoben obrovskými nástěnnými a nástropními freskami, které oslavují vládnoucí rod Habsburků, což mělo být vyjádření loajality císaři Leopoldu I. Aby celková výzdoba zámku ladila, můžeme zde najít velké množství soch a sousoší opět s antickou tematikou. Za zmínku jistě stojí monumentální plastiky zdobící vstupním schodišti znázorňující souboj Titánů s bohy, které jsou dílem George a Paula Hermannových z Drážďan.

Stavba Trojského zámku a přilehlých budov byla dokončena v roce 1685, ale tvorba zahrady, neustálé drobné úpravy a přestavby pokračovaly až do 18. století. Naposledy proběhla velká rekonstrukce zámku v letech 1977 – 1989, už ve státní správě.

Po hraběti Václavu Vojtěchovi ze Šternberka zdědil trojský zámek jeho syn a po něm jeho vnuk Jan ze Šternberka. Ten v roce 1763 prodal Trojský zámek Marii Terezii jako letní sídlo, císařovna však nikdy neměla čas přebývat zde po delší dobu, a protože jí zámek připadal nevyužitý, odkázala ho roku 1776 Ústavu šlechtičen. Od řádu Alžbětinek, které tady nějakou dobu pobývaly, ho později získal Asfeld z Vydří, který se však v tomto letním sídle příliš neohřál, protože ještě na konci 18. století se Trojský zámek stal majetkem knížete Ferdinanda Windischgrätze. Kníže jej po několika letech prodal baronu z Ostfeldu, který jej vlastnil téměř celé 19. století. Častým návštěvníkem barona z Ostfeldu býval František Palacký, který zde v roce 1825 několik dní bydlel . Posledním majitelem byl statkář Alois Svoboda. Ten roku 1922 daroval zámek a všechny pozemky státu, aby zde byla vybudována zoologická a botanická zahrada. Od roku 1989 je zámek v držení Galerie hlavního města Prahy a slouží jako muzeum českého malířství 19. století.