Mit "Pilgrim de Pucheimon" wird die Burg 1130 erstmals erwähnt. Die ursprünglich hochfreie Familie Puchheim besaß ihre Stammburg bis 1348. Damals übertrug Albrecht von Puchheim seinen gesamten oberösterreichischen Besitz an Herzog Albrecht II.

Die Habsburger ließen die nun landesfürstliche Burg von Pflegern verwalten, sofern sie nicht verpfändet war. Zu den Pfandinhabern zählten Gundacker von Polheim, Hans von Traun (1371) und Heinrich von Wallsee (1381). 1462 verkaufte Herzog Albrecht VI die Herrschaft an Ulrich Rehlinger. Nach mehrmaligem Besitzwechsel kam Puchheim 1551 an Wolfgang von Polheim. 1585 fiel die alte Burg einer Brandkatastrophe zum Opfer.

In den folgenden Jahren ließ Weikhart d. Ä. von Polheim die Brandruine abtragen und an ihrer Stelle das heutige Renaissanceschloss errichten. Da Weikhart d. J. von Polheim am oberösterreichischen Adelsaufstand teilgenommen hatte, wurde die Herrschaft beschlagnahmt und an Adam Graf Herberstorff übergeben. Seine Witwe Maria Salome verkaufte den Besitz an Georg Siegmund von Salburg. Dessen Familie behielt Puchheim bis 1767. Dann wurde es an die Freiherren und späteren Grafen Fuchs verkauft. 1839 erwarb Erzherzog Maximilian I den Besitz. Er holte 1847 die Jesuiten und nach deren Ordensaufhebung 1851 die Redemptoristen zur Seelsorge nach Puchheim. Zwischen 1886 und 1890 wurde die große Wallfahrtskirche über dem Schlossgraben errichtet.

Das Schloss selbst ging nach dem Tod Erzherzog Maximilians als Erbe an die Gräfin von Chambord über. Sie ließ Teile des Schlosses als Redemptoristenkloster einrichten. 1892 gelangte es neuerlich im Erbweg an ihren Neffen Don Alfonso von Bourbon. Es blieb bis 1993 im Besitz der Familie Bourbon. Heute gehört das Vorschloss der Stadt Attnang-Puchheim sowie der Diözese Linz, die in ihm ein Bildungszentrum unterhält. Das Hauptschloss ist im Besitz des Ordens der Redemptoristen, der es als Kloster und Exerzitienhaus benützt.

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