Le château vieux, bâti pour Antoine Sanguin à partir de 1520 et agrandi à la demande d'Anne de Pisseleu entre 1527 et 1540, est acquis par le cardinal de Lorraine en 1552. Pour lui, Le Primatice élève les pavillons de la grotte entre 1552 et 1560. Entre 1654 et 1658, Abel Servien fait construire le pavillon central, la grande terrasse et l'Orangerie. Entre 1680 et 1690, Louvois fait reprendre les façades, creuser les douves, aménager les communs de l'Aile des marronniers et construire le chenil. André Le Nôtre aménage les jardins, dessine la grande perspective. Propriétaire du domaine depuis 1695, le Grand Dauphin charge Jules Hardouin Mansart de construire un nouvel avant-corps sur la façade latérale du château en 1699, des appartements dans l'Aile des marronniers, de nouveaux communs à côté du chenil en 1701, et une chapelle en 1702. À la place de la grotte détruite, Hardouin-Mansart édifie le château neuf entre 1706 et 1709. En 1795, le château vieux est détruit par un incendie. En 1871, un nouvel incendie détruit le château neuf. Constant Moyaux en restaure les vestiges, y installe en 1878 l'observatoire. À Chalais, l'Etablissement Aéronautique Militaire, créé en 1877, accueille en 1879 un hangar provenant d'une galerie annexe de la galerie des machines de l'Exposition universelle de 1878, élevée peut-être par l'Entreprise Eiffel, pour abriter des dirigeables. En 1921, un musée de l'Air y est créé. Il quittera Meudon pour le Bourget en 1983. Durant la seconde moitié du 19e siècle, un établissement hydraulique refoule les eaux descendues du réseau supérieur Jusqu'au bassin de Bel Air d'une part, à l'Orphelinat d'Autre part. En 1934, l'Ingénieur Gaston Lemarec, de l'Entreprise Limousin, construit une soufflerie aérodynamique. Depuis 1946, l'O.N.E.R.A poursuit ses recherches à Chalais. Le hangar y a été désaffecté et restauré.

Pour aller plus loin et accéder à l'ensemble de l'iconographie, voir le dossier d'origine numérisé (lien en pied de page).