Первые упоминания о сооружении на месте нынешнего дворца датируются XIV столетием. В 1569 году Каттербург перешёл во владение Габсбургов.
Император Матвей, согласно легенде, во время охоты в 1612 году натолкнулся на «красивые источники» (Schöne Brunnen), что позже и дало нынешнее название дворцу.
Император Фердинанд II и его жена, Элеонора Гонзага, любившие охоту, выбрали Шёнбрунн в качестве места для выездов двора на охоту. После смерти Фердинанда в 1637 его вдова поселилась в замке, переименовав его в Шёнбрунн.
В 1683 замок пострадал во время осады Вены турками. Император Леопольд I решил отстроить разрушенный замок, и в 1696 году Фишер фон Эрлах начал строительство, взяв за образец Версальский дворец. Большая часть работ была завершена к 1713 году, однако строительство не было доведено до конца.
В 1728 году император Карл VI приобрёл Шёнбрунн и позже подарил его своей дочери, Марии Терезии, будущей императрице. Правление Марии Терезии было ключевым в истории замка. Известно, что она восхищалась замком и его садами, превратив Шёнбрунн в центр политической и дворцовой жизни.
В 1752 супруг Марии Терезии, император Франц I, основал возле дворца зверинец, являющийся на сегодняшний день самым старым зоопарком в мире. К западу от парка император прикупил участок земли, на котором были размещены теплицы, парники и оранжереи, постоянно пополнявшиеся экзотическими растениями из Вест-Индии и Капской колонии.
После смерти Марии Терезии дворец использовался только в качестве летней резиденции императоров.
В 1805 и 1809 дворец дважды занимал Наполеон. Французский император располагался в мемориальных комнатах Франца I Стефана, в восточном крыле дворца. В этой же части дворца в 1830 родился Франц Иосиф.
В 1828 г. в оранжерейной части парка строится Пальмовый дом — необычное сооружение из кирпича с остеклением. В 1882 ему на смену пришли три павильона из стекла и металла: каждый для одной из основных температурных зон.
Восхождение на трон Франца Иосифа в 1848 ознаменовало новую замечательную эпоху в истории замка. Император выбрал Шёнбрунн в качестве своей главной резиденции и провёл в нём большую часть своей жизни.