Opevněné sídlo v místech dnešního sokolovského zámku vzniklo při důležité křižovatce zemských cest, z nichž nejdůležitější byla tzv. Erfurtská, vedoucí ze středního Německa přes Kraslice a Svatavu a potom cesta z Chebu do Lokte a dále do Prahy.
Nejstarší písemná zmínka o Sokolově je ze 13. dubna 1279, kdy se v souvislosti s obchodními jednáními připomínají bratři Nothaftové, kteří užívali přídomek "ze Sokolova" ("de Walchenawe"). Tehdy již patrně stála a jako panské sídlo sloužila vodní tvrz, která je doložena archeologickým výzkumem. Skládala se z kruhové hradební obvodové zdi, která obklopovala obdélný obytný palác. Nothaftové prodali panství v roce 1339 Winklerům a od nich se majetek dostává v roce 1366 do správy královské komory.
Husitské války se osudu panství nedotkly a po jejich ukončení získal sokolovské panství od císaře Zikmunda v roce 1434 Kašpar Šlik. Šlikové kolem roku 1480 přestavěli tvrz na hrad obdélného půdorysu se čtyřmi nárožními věžemi, který dal základ dnešní zámecké stavbě. Posledním pánem Sokolova ze šlikovského rodu byl Jan Albín, který se svým bratrem Jáchymem Ondřejem patřil od roku 1618 k vůdcům českého stavovského povstání. Po porážce povstání v rozhodující bitvě na Bílé hoře 8. 11. 1620 Jan Albín Šlik uprchl do ciziny a jeho bratr Jáchym Ondřej byl 21. 6. 1621 popraven na Staroměstském náměstí v Praze. Hned roku 1621 byl sokolovský hrad s celým panstvím Šlikům zabaven a roku 1622 prodán Nosticům, významnému rodu pevně oddanému Habsburkům.
Sokolovský hrad plnil svou vojenskou funkci při obraně města po celou dobu třicetileté války. V Sokolově se vystřídali nebo panstvím protáhli jak stavovští, tak císařští, saské vojsko, bavorská armáda a naposledy Švédové, kteří město Sokolov a poškozený hrad v roce 1648 vypálili. Sokolovský hrad byl po útocích v průběhu války zcela zničený a proto jej nechal přestavět jeho majitel Jan Hartvik Nostic v pozdně renesančních formách na pohodlný zámek. Přestavba byla provedena v letech 1659-1663.
Kolem roku 1730 bylo upraveno okolí zámku ve stylu francouzské zahrady s bohatou sochařskou výzdobou. Roku 1742 za válek o rakouské dědictví obsadili zámek Francouzi, za sedmileté války roku 1762 město a zámek vyplenili Prusové. V letech 1800-1805 nechal osvícený hrabě Bedřich Nostic - Rieneck zámek důkladně opravit a upravit v klasicistním stylu. Drobné stavební úpravy byly prováděny dále v roce 1870 a kolem roku 1880 byly staré střechy zámeckých věží nahrazeny stanovými, které se zachovaly dodnes. V průběhu 2. poloviny 19. století dochází k postupnému zmenšování a likvidaci parku a obory kolem zámku a ze zámecké zahrady se postupně stává městský park. Za 2. světové války byly ve sklepích zámku vybudovány dva protiletecké kryty. V roce 1945 byl zámek Nosticům na základě Benešových dekretů zkonfiskován. Několik měsíců v něm sídlilo velitelství americké armády, která osvobodila Sokolov.
V 50. letech sídlila v zámku československá armáda, která ho značně zdevastovala. Části mobiliáře byly rozkradeny, části zničeny a mnohé věci byly převedeny do jiných kulturních institucí. Došlo ke spálení části zámecké knihovny a veškerého vybavení kaple. V průběhu 60. let se začal zámek postupně opravovat a byla v něm umístěna okresní knihovna a v roce 1960 zde bylo otevřeno Muzeum hornického Sokolovska. V 70. letech byly prováděny opravy fasád, interiéru a přízemí zámku bylo adaptováno na obřadní síň a reprezentační prostory města. Opravy však byly provedeny nekvalitně a vzhledem k historickému významu budovy necitlivě.
V roce 1982 bylo muzeum přeměněno na městské a od roku 1984 nese statut muzea okresního. V letech 1993 - 1994 došlo ke generální opravě zámku. Tato poslední obnova plně respektuje klasicistní architektonický výraz z počátku minulého století. Fasády zámku dostaly charakteristickou cihlovou barvu a okenní ostění a portály byly zvýrazněny barvou bílou. V průběhu oprav zámku byl prováděn archeologický výzkum, který přinesl objevy, které v mnohém rozšířily a podstatně ovlivnily naše stávající představy o vývoji panského sídla v Sokolově.