Forteresse du 15e siècle, le château de Villemolin a traversé les siècles par vagues de transformations. Au 17e siècle, ses principaux bâtiments ont été reconstruits : le corps de logis sud et ouest, ainsi que les tours nord-est et sud-est. Le 18e siècle apporte des touches plus discrètes avec des boiseries et aménagements intérieurs.

C'est à partir de 1830 que le château subit sa plus importante métamorphose. Une chapelle et une tour sud-ouest sont édifiées, les combles sont exhaussés, tandis que l'aile ouest se voit couronnée d'un mur crénelé. À l'intérieur, une salle à manger et une bibliothèque sont aménagées selon les goûts du moment.

De plan en U, le château s'accompagne d'importants bâtiments agricoles et d'un parc agrémenté d'une glacière, témoins du domaine qu'il a pu constituer.