Un plan du XVIIe siècle (ici à gauche), conservé aux archives du musée Condé à Chantilly, laisse supposer, face à l’église, la présence d’un château médiéval à quatre tours d’angle, entouré de douves. C’est sans doute là que loge la famille Poisle lorsqu’elle vient, au cours du XVIe siècle, sur ses terres de Saint-Gratien.

Sans doute partiellement en ruine, et peu adapté à la vie pastorale de l’époque, Jacques Poisle (1559-1623), grand-père maternel de Nicolas de Catinat, en démoli une grande partie et transforme le pan sud du bâtiment dans le modèle typique des constructions du début du XVIIe siècle. L’usage restreint de la pierre de taille et la modestie du bâtiment sont des constantes de l’architecture de l’époque. Elles s’expliquent par un contexte économique et politique difficile au lendemain des guerres de religions et de la reconquête militaire du royaume menée par Henri IV. On y retrouve un avant corps central à fronton encore peu développé; des pavillons latéraux cantonnés de chaînages de pierre et de hauts combles à la française. C’est l’archétype du domaine seigneurial rural de l’époque, avec en complément du bâtiment, un parterre à la française, côté jardin et, vers le village une avant-cour bordée de communs.
A la mort de Jacques Poisle, le château devient la propriété de sa fille : Françoise Poisle (1601-1649), dame de Saint-Gratien alors mariée à Pierre II de Catinat (1598-1674). La succession revient ensuite à leur fils, Nicolas (1637-1712), futur Maréchal de France et figure incontournable de Saint-Gratien. C’est son frère Guillaume, seigneur de Croisilles, ami de Fénelon, qui s’en occupe pendant qu’il est en campagne. Catinat lui répète dans ses lettres qu’il doit se sentir chez lui et lui demande de faire à la demeure tous les accommodements qu’il désire. La mort de Guillaume en 1701 est douloureusement vécue par le Maréchal, qui prend sa retraire, un an plus tard, dans ses terres gratiennoises, en abandonnant son hôtel parisien.
A la mort du Maréchal, le domaine revient à son neveu, Pierre III de Catinat de Saint-Mars (1670-1745), fils de son frère René. Il passe ensuite entre les mains de sa fille aînée, Marie Renée (1701-1779), petite nièce du Maréchal. Marie-Renée de Catinat, qui épousa en seconde noce Guillaume de Lamoignon, n’a pas de descendance. La terre de Saint-Gratien arrive alors aux mains de sa sœur, Marie-Françoise de Catinat (1703-1792) qui prend à son tour le titre de dame de Saint-Gratien.
Quelques années plus tard, en 1783, selon le site de l’association Valmorency, le château est habité par le journaliste Jacques Mallet du Pan. Aucun document en notre possession ne confirme sa présence au sein du village. On sait seulement que le registre N°1 des Conseils Municipaux de 1790, indique que la dame de Saint-Gratien, propriétaire du château est une certaine Madame Du Pan.
Plusieurs propriétaires se succèdent ensuite ; toujours selon l’association Valmorency il s’agit de :

• Famille Gravier de Vergennes, de 1793 à 1799,
• Amiral Etienne Eustache Bruix, de 1799 à 1805,
• Jean Baptiste Legendre, comte de Luçay,
• Jules Meslier, son épouse Marie Durlay, et Jean-Joseph Bougevin,
• Jean-Baptiste Péligot et Adèle Guérin, à compter du 9 juillet 1825,
• La Caisse hypothécaire, à compter du 20 avril 1831,
• Benoît Bisson, à compter du 5 mars 1847. Il scinde la propriété en deux en faisant élever un mur entre le château Catinat et le château Neuf et fait passer une route le long de ce dernier.

Vient enfin la princesse Mathilde qui acquiert le château après y avoir été un temps locataire. La princesse avait déjà acheté en 1953 le château Neuf. Avec ce second bâtiment, elle souhaitait offrir à certains de ses invités une maison d’amis.
Dans son livre paru en 1856, Le Tour de la Vallée, Charles Lefeuve décrit ainsi le domaine :

M. de Vergenne et sa famille ont habité ce vieux château pendant la révolution. Le parc était encore alors d’une immense étendue qu’on évalue à plus de 250 hectares. Le lac d’Enghien en était la pièce d’eau. Une majestueuse allée d’ormes le traversait dans toute sa largeur. Une allée d’acacias partait aussi de Saint-Gratien et remontait du côté du hameau appelé encore La Vache-Noire. Aujourd’hui, ce qu’il reste du parc, séparé de la cour par une vieille grille en fer, ressemble à un jardin de pensionnat. C’est par trop délaissé pour une habitation; mais ce n’est pas encore assez pour une ruine.

Au début du XXe siècle, le château Catinat accueille une fabrique de liqueurs puis l’Association de la Mission en faveur des Arméniens Catholiques. Le 1er août 1954, la ville de Saint-Gratien l’acquiert pour y installer une partie des services municipaux. Le château est ensuite classé à l’inventaire supplémentaire des monuments historiques le 19 mars 1965.