Nel X secolo il luogo viene citato come borgo fortificato con il nome Castello Chiusino o Chiugino. Nel 1247, durante i conflitti tra guelfi e ghibellini, la città fu distrutta dai ghibellini cortonesi e aretini anche se questi ultimi avviarono la ricostruzione con la realizzazione del castello del Leone, punto d'appoggio fortificato lungo la strada tra Roma e Firenze. Negli anni successivi il territorio passò alla signoria perugina dei Baglioni.

Nel 1550 papa Giulio III istituì la signoria di Castiglione e del Chiugi e donò il feudo alla sorella Giacoma Ciocchi del Monte, sposata a Francesco della Corgna. I due figli, Ascanio e Fulvio Giulio, seguirono rispettivamente una carriera militare ed ecclesiastica: il primo, capitano di ventura ed ingegnere militare esperto di fortificazioni divenne marchese di Castiglione nel 1563 per volere di papa Pio IV mentre il secondo divenne cardinale e vescovo di Perugia, ottenendo la co-reggenza del marchesato.

 

Sotto i della Corgna Castiglione del Lago vide un forte rinnovamento urbanistico; tra le opere di maggior pregio si ricorda l'ampliamento del palazzo ducale, progettato da Jacopo Barozzi da Vignola e Galeazzo Alessi con affreschi realizzati da Niccolò Circignani, detto il Pomarancio. Nel progetto di Ascanio il palazzo avrebbe dovuto ospitare una sontuosa corte che rese il paesino molto rinomato in ambito culturale, tanto che il marchese organizzava spesso riunioni dell'Accademia degli Insensati, con la partecipazione di insigni letterati, nobili ed artisti. Sotto i successori di Ascanio operarono, tra gli altri, anche il poeta burlesco Cesare Caporali e lo scrittore Scipione Tolomei.

 

Il marchesato costituiva un'importante feudo pontificio compreso tra il granducato di Toscana e lo Stato della Chiesa ma aveva comunque potere di imperio e diritto di battere moneta. Ascanio emanò nel 1571 lo statuto, poi integrato dal fratellastro Fulvio Giulio e dal nipote Diomede, succedutogli alla guida dello Stato, che comprendeva un'ampia raccolta di norme giuridiche civili e penali. Il marchesato fu elevato al grado di ducato nel 1617 ma alla morte senza eredi del duca Fulvio Alessandro nel 1647 i territori tornarono sotto l'amministrazione dello Stato Pontificio.

Su impulso del tenete Anselmo Cesaroni e del deputato Romeo Gallenga Stuart nei pressi di Castiglione nel 1914 fu inaugurato un idroscalo sulle rive del Trasimeno, poi ampliato con un campo a terra utilizzato come sede della Scuola Caccia della Regia Aeronautica nonché come sito di collaudo per i prodotti della SAI Ambrosini, che aveva sede nel vicino comune di Passignano sul Trasimeno.

 

Durante la seconda guerra mondiale Castiglione fu attraversato dalla linea Albert, una linea fortificata difensiva creata dalla Wehrmacht durante la campagna d'Italia dopo l'armistizio di Cassibile del 1943. L'aeroporto non fu interessato dai bombardamenti ma l'armistizio e la successiva occupazione tedesca ne fermarono il progetto di ampliamento e nel dopoguerra fu progressivamente abbandonato.