No século X, após ter enviuvado do Conde Hermenegildo (ou Mendo) Gonçalves, a Condessa Mumadona Dias assume o governo do Condado Portucalense e toma duas medidas de grande importância: funda, na parte baixa de Guimarães, o Mosteiro de Santa Maria (por volta do ano de 950) e, na parte alta, um castelo, o denominado Castelo de S. Mamede (entre os anos 950 e 957). A construção deste castelo foi necessária para defender o Mosteiro recém edificado e as populações que, entretanto, se foram fixando junto a estas duas construções. A construção deste Castelo foi igualmente, uma forma de afirmar o seu poder perante os demais senhores feudais. Um diploma que assinala a entrega do Castelo de S. Mamede ao Mosteiro de Guimarães, em 4 de dezembro de 968, é a primeira referência conhecida a esta fortificação.
A Condessa Mumadona Dias funda em Guimarães, no séc. X, duas construções de grande importância, pois vão estar na origem da Guimarães que conhecemos hoje: o Mosteiro de Santa Maria e o Castelo de S. Mamede, assim designado no Testamento de Mumadona.
Tal como o historiador Mário Jorge Barroca refere, o castelo desta época seria muito diferente daquele que conhecemos hoje, pois eram obras incipientes, os torreões eram raros e não se conheciam as torres de menagem, sendo muitas vezes necessário o recurso à remoção de terras para criar desníveis acentuados.
O Castelo foi objeto de inúmeras alterações tendo a sua configuração atual pouco a ver com a sua forma original. De facto, com o Conde D. Henrique são realizadas algumas reformas e, segundo Mário Barroca, existem vestígios que se supõem da época deste Conde. Mais tarde, nos séc. XIII/XIV, com D. Dinis foi construída a Torre de Menagem e ergueram-se os oito torreões que flanqueiam a muralha do castelo.
Outras reformas mais tardias foram levadas a cabo no reinado de D. João I sendo aqui definida a sua última forma.
Interessante é também o facto de o Castelo de Guimarães ser o primeiro castelo português a ter registos fotográficos que nos mostram a estrutura tal com se encontrava no séc. XIX. Estas fotografias são da autoria de Frederick William Flower, um comerciante inglês que viveu alguns anos no Porto, que foi o pioneiro na utilização da técnica fotográfica.

Depois de séculos de abandono e ruína, o Castelo foi objeto de um imperativo restauro, levado a cabo na década de 30 do século XX, pela DGEMN. O objetivo destas obras de beneficiação foi reabilitar o lugar mais emblemático da castelologia nacional.
O Castelo de Guimarães é Monumento Nacional desde 1910 e Maravilha de Portugal desde 2007.