Montgey conserve les vestiges d'une forteresse aux origines lointaines : une tête de statue romaine, découverte scellée dans les murs, témoigne d'un ancien oppidum. Au Moyen Âge, Simon de Montfort y aurait séjourné avant sa destruction durant la guerre des Albigeois. La base des murs primitifs subsiste au sud et à l'est, tandis que des souterrains, accessibles depuis le parc, rappellent cette occupation ancienne.

L'édifice que l'on visite aujourd'hui date des 15e et 16e siècles. De plan quadrangulaire autour d'une cour centrale, il se déploie autour de quatre tours, dont la plus imposante au sud-est a préservé son appareil défensif intact. Une remarquable galerie à l'italienne de huit arcades en plein cintre relie le corps principal à la tour du Chevalier.

Le 17e siècle apporte de nouveaux aménagements : restauration des tours sud, création des terrasses, ouverture de la grande porte à pilastres, et surtout la construction du grand escalier et de la cheminée Renaissance qui ornent la grande salle — manifestation tardive du rayonnement de Fontainebleau.

Les communs, édifiés vers 1723, complètent l'ensemble. Au 19e siècle, un donjon crénelé vient couronner le château.