A XVIII. század egyik legtekintélyesebb magyar főura, Grassalkovich I. Antal (1694–1771) gróf 1735 után kezdte meg a gödöllői kastély építtetését. Az első építési szakasz 1745-ig tartott: Mayerhoffer András tervei alapján ekkorra készült el a belső udvart közrefogó első U-alak, a díszteremmel és a főúri lakosztályokkal. 1746 és 1749 között két új szárnnyal bővült az épület mindkét oldalon: a déli szárnyban istálló és szénapadlás kapott helyet, az északi szárnyban pedig ekkor készült el a ma is működő római katolikus templom. Ebben az állapotában láthatta a kastélyt Mária Terézia királynő, aki 1751-ben látogatta meg Grassalkovichot Gödöllőn.
Ezt követően Grassalkovich I. Antal élete végéig több szakaszban folytatta a kastély bővítését és átépítését. A kettős U-alakú épületben fia, Grassalkovich II. Antal (1734–1794) alakított ki barokk kőszínházat. Unokája, Grassalkovich III. Antal (1771–1841) nevéhez fűződik az északi oldal utolsó szárnya, az új narancsház megépítése és a franciakert tájképi kertté való alakítása. Az épület egyedi építészeti megoldásai mintaként szolgáltak a magyar barokk kastélyok számára.
Grassalkovich III. Antallal 1841-ben kihalt a család férfi ága. A leányágon tovább öröklődő birtokot a kastéllyal együtt 1850-ben báró Sina György (1783–1856) vásárolta meg, akinek fia, Sina Simon (1810–1876) adta el 1864-ben egy belga banknak.1867-ben kezdődött az épület második fénykora. A magyar állam által megvásárolt, felújított és átalakított kastély koronázási ajándékként I. Ferenc József és Erzsébet királyné pihenő rezidenciája lett.
