V místech zbořené tvrze nechal Jan Šembera Černohorský z Boskovic postavit v letech 1575 – 1585 renesanční zámek, inspirovaný italskými vilami. Jan Šembera byl poslední mužský člen tohoto starobylého českého rodu. Jeho dvě dcery se provdaly za Lichtenštejny. Anna se provdala za prvního Lichtenštejnského knížete Karla I. Lichtenštejna (1569 - 1627), Kateřina za jeho bratra Maxmiliána (1578 - 1643). Lichtenštejnové měli ještě jednoho bratra, Gundakera (1580 - 1658).

Tito tři bratři se díky své konverzi ke katolické víře dostali k významným funkcím u císařského dvora a podíleli se na správě rekatolizované Moravy. Velmi důležitá byla rodová dohoda z roku 1606, kterou inicioval právě Karel I. Bratři se dohodli na rozdělení majetku, jeho správě a rozsahu tzv. nezcizitelného majetku, který nebylo možné po smrti některého z bratrů vyvdat do cizího rodu, ale zůstával v držení rodu nadále.

Správy bučovického panství se nejprve ujal Maxmilián, který se do historie zámku vepsal jako stavitel manýristické kašny na arkádovém nádvoří zámku. Architektem kašny byl Giovanni Giacomo Tencalla, který pro Maxmiliána mimo Bučovic pracoval na přestavbě zámku v Rabensburgu v Dolním Rakousku a podílel se na přestavbě zámku v Lednici.

Maxmilián bučovický zámek navíc opatřil věžemi v nároží a zastřešil je kovovými lucernami, které vzhledem ke své hmotnosti narušovaly statiku zámku a později byly sneseny (patrně roku 1704).

Krátce po smrti Maxmiliána, který zemřel bezdětný, se zámku ujal jeho synovec, syn Karla I., Karel Eusebius (1611 – 1684). Ten se na rozdíl od svých strýců a otce příliš nezajímal o politiku. Snažil se konsolidovat majetek, těžce poškozený během třicetileté války, která se nevyhnula ani bučovickému zámku. V roce 1645 měl zámek odolat útoku švédského oddílu. Zámek tehdy bránili Lichtenštejnští myslivci, úředníci a měšťané z Bučovic. Není však jasné, co se zde odehrálo. Zda došlo k rozsáhlému útoku přímo na zámek, nebo naopak lstivému překvapení a zničení zásobovacího oddílu. Švédové tehdy obléhali Brno a do širokého okolí vysílali oddíly pro doplnění proviantu.
Na sklonku života Karel Eusebius změnil účel zámku. Namísto reprezentativního sídla zde bylo zřízeno administrativní centrum správy panství. Syn Karla Eusebia, Jan Adam Ondřej z Lichtenštejna (1657 – 1712), se do historie zámku nijak výrazněji nezapsal. Po svém otci zdědil značné dluhy a svou stavební aktivitu zaměřil na zámek v Plumlově. Jan Adam rovněž zemřel bezdětný. Jeho smrtí vymřela tzv. karlovská větev a smrtí jeho strýce Maxmiliána již dříve vymřela maxmiliánovská větev. Poslední větví zůstala gundakerovská, jejíž potomci žijí dodnes. Členové této větve do podoby zámku nijak výrazně nezasahovali. Pouze ve 20. letech 18. století na zámku obývaném úředníky, vzniklo sídlo Lichtenštejnské účtárny.
Za zmínku stojí úpravy prováděné knížetem Aloisem I. Josefem (1759 – 1805). Ten postupně nechal zbořit opevnění zámku a opětovně soustředil kanceláře účtárny z Vídně a Valtic na Bučovice. Návrh na úpravy kanceláří a bytů provedl roku 1796 Josef Hardtmuth, vynálezce umělé tuhy, umělé pemzy nebo tzv. vídeňské kameniny. Nejednalo se přitom jen o tyto úpravy. Kníže Alois byl údajně natolik ohromen arkádami, že je chtěl přestěhovat do Vídně, kde se tehdy Hardtmuth podílel na přestavbě Lichtenštejnského paláce. Josef Hardtmuth musel knížeti přání rozmlouvat. Konstrukce krovu zámku je totiž závislá na arkádách a jejich absence by prakticky znamenala destrukci celého krovu i budovy.
V průběhu 19.století zámek nedoznal žádných razantních změn, nadále zde fungovala účtárna. Teprve v roce 1924 vzniklo ústřední ředitelství Lichtenštejnských statků v Olomouci, které nahradilo jednotlivé kanceláře. V bučovickém zámku se tak postupně uvolnily potřebné prostory. V té době se na zámku mimo kanceláří a archivu nacházely sbírky Muzejního spolku v Bučovicích, které se rozrůstaly, a spolek žádal o uvolnění dalších místností.

V předvečer druhé světové války byl v patře jižního křídla zřízen byt pro posledního držitele zámku, Aloise Lichtenštejna. Stalo se tak za dozoru tehdejšího památkového ústavu, který se obával narušení autentické renesanční architektury

Určité nebezpečí znamenala pro zámek druhá světová válka. V roce 1943 probíhalo jednání ohledně aplikace neodstranitelného zeleného nátěru, který by maskoval celý zámek. Lichtenštejnská správa se tomuto nařízení ubránila a poukazovala na nedávno opravené fasády.

Přibližně v téže době rozhodl Alois o zřízení depozitáře na zámku. Postupně se zde měly soustředit cenné předměty ohrožené vojenskými operacemi. Vzhledem k umístění zámku na venkově, uprostřed lesů, bez důležitých továren v okolí, se zde nepředpokládalo bombardování. Nicméně v okamžiku kdy na jaře roku 1944 překročila sovětská vojska polské hranice, bylo možné očekávat jednak příchod fronty, a také možné politické změny. Proto byl cenný mobiliář evakuován do Rakouska a následně do Vaduzu.

Po skončení druhé světové války byl zámek Lichtenštejnům zabaven československým státem na základě tzv. Benešových dekretů.