Die Erbauung einer ersten Wehranlage geht in die Regierungszeit des Churer Bischofs Heinrich I. von Montfort in die Zeit zwischen 1257 und 1272 zurück. Sie erhielt 1354 königliche Stadtrechte. Aus jener Anfangszeit hat sich an der Ostecke der quadratische Bergfried mit einer Seitenlänge von rund zehn Metern erhalten. Der mittelalterliche Wohnbau wird im Südenvermutet. Dazwischen lag vermutlich ein offener Hof.
1635 baute Meister Magnus Tauscher aus dem Allgäu einen Dachstuhl, der mit seiner Länge von 62 Schuh der Länge des Schlosses ohne Turm entsprach. Ansichten zu diesem Schloss sind keine erhalten. Umfangreiche Umbauten belegen die Rechnungsbücher unter Bischof Ulrich VII. von Federspiel zwischen 1709 und 1711. Auch davon gibt es keine Abbildungen.Eine Skizze von einem nördlich vom Turm analog dem Südflügel angebauten Nordflügel konnte bei archäologischen Grabungen nicht bestätigt werden. Der Stadtbrand vom 27. Oktober 1742 richtete verheerenden Schaden vor allem beim Turm an. Unter Bischof Benedikt von Rost fand der Wiederaufbau statt, das Schloss erhielt sein heutiges Aussehen ohne den Turm. Die grossartigen Stuckdecken stammen mehrheitlich von diesem Umbau.
Fürstenau war damals das Verwaltungszentrum der bischöflichen Herrschaft im Domleschg und am Heinzenberg. Es wurden Urkunden ausgestellt, zudem mussten die Zinsen aus dem Raum Domleschg hier abgeliefert werden. Der Bischof genoss von Schloss Fürstenau aus die Jagd.
Seine Bedeutung als Fürstensitz verlor das Schloss kurze Zeit nach dem Wiederaufbau, die domherrliche Wohnung wurdebereits in den 1780er Jahren in einem schlechten Zustand geschildert. Ab 1802 sollte das Schloss verkauft werden, einzig der Titel «Herr von Fürstenau» sollte beim Bischof verbleiben. Der Verkauf kam jedoch nicht zu Stande. Das Bistum vermietet 1840 das Gebäude an den Kanton Graubünden für eine Arbeitserziehungsanstalt. Als die Anstalt nach Realta verlegt wurde, stand das Schloss einige Jahre leer. Ab 1855 wurde es unter Pater Theodosius Florentini als Kosthaus für Jugendliche genutzt, nach 1871 beherbergte es eine Realschule.
Am 20. August 1877 wurde das Schloss vom Bistum an den Kaufmann Peter (Conradin) von Planta verkauft, der 1863 schon das benachbarte Schloss Schauenstein erworben hatte. Er liess das bischöfliche Wappen über dem Eingang durch sein eigenes ersetzen. 1878 richtete er das erste Landspital Graubündens ein. 1896 gab er es seinem 26-jähringen Sohn Gaudenz von Planta, der es zusammen mit seiner frischvermählten Frau Jenny von Planta-Vischer umfassend renovierte. Herr Chiodera vom Zürcher Architekturbüro Chiodera und Tschudy wurde mit den Umbauarbeiten betraut. Die heute noch vorhandene historistische Einrichtung mit Täfer und Böden machten aus dem ehemaligen Kosthaus und Spital einen vornehmen Familiensitz. Besonders bemerkenswert ist der Einbau der enorm grossen Fenster und dem neuen Wintergarten mit der Terrasse und dem Gartenzugang über einer Loggia.
Die Familie von Planta verkaufte das Schloss 1941 an Rudolf Schöller, der es 1961 an die Emser Werke weiterverkaufte. 1983 übernahm es die Familie Calonder und rettete es dadurch vor einem Umbau in ein Mehrfamilienhaus. Seit 2016 ist das Schloss Fürstenau im Besitz von Guido Hager und David Hauptmann. Es wird privat bewohnt und 2018 umfassend restauriert. Zahlreiche namhafte Spezialisten, vorwiegend aus der Region, sind daran beteiligt. Die Einbauten von Rokoko und Historismus sind restauriert worden. Besonders die alten Fenster und Vorfenster von 1896 konnten weiterhin erhalten werden. Die Farben der Fassade, im Festsaal und in einzelnen Räumen konnten retuschiert werden. Die Elektro- und Sanitärinstallationen, die Heizung, Bäder und Küche wurden insgesamt erneuert. Drei zusätzliche Fenster-/Türen und die Verlegung aller Schlafzimmer und Bäder ins zweite Obergeschoss bleiben die wenigen strukturell vorgenommen Änderungen. Am meisten Aufmerksamkeit wird der neuen Eindeckung des maroden Daches geschenkt. Es bleibt ein Kaltdach, der Boden wird isoliert. Es wird wieder mit gelben Ziegeln eingedeckt, so gelb wie die Ãltesten noch vorhandenen Ziegel waren. Zu den zehn wertvollen Stuckdecken von 1750 und zwei älteren, vermutlich von 1711, konnten fünf Künstler gewonnen werden, zeitgenössische Stuckdecken auszuführen. So lebt das Wohnschloss als Baudenkmal in seiner gut 750-jährigen Geschichte weiter.