1114 scheint die damalige Wasserburg mit Hugo von Leuisdorf erstmals urkundlich auf. Hugo gehörte einer Ministerialenfamilie an, die um 1378 letztmalig genannt wird. Leesdorf war aber bereits vor 1312 an Sigmund Kastner übergegangen. Er verkaufte die Burg damals seinem Cousin Erhart von Leutfaringer.

Im dritten Viertel des 14. Jahrhunderts waren die Wallseer im Besitz der Wasserburg. Auf sie folgte 1380 Stephan von Zelking. Danach wurde Leesdorf landesfürstlich. Hans Friedrich von Kielmannsegg verkaufte 1617 die bereits stark baufällige Feste mit dem dazugehörigen Gut dem Stift Melk. 1683 richteten die Türken schwere Zerstörungen an. Abt Berthold Diethmayr ließ den immer noch weitgehend romanischen Bau anfangs des 18. Jahrhunderts in ein Barockschloss umwandeln.

Dieses Aussehen blieb bis zur Mitte des 19. Jahrhunderts weitgehend unverändert. 1852 verkaufte das Stift das Schloss an den Rechtsanwalt Dr. Stanislaus Neumeister. Dieser ließ den Wassergraben zuschütten und weitere Änderungen am Schloss durchführen. Danach wechselten die Schlossherren mehrfach. Zu ihnen gehörte 1909 die Familie Baltazzi. Ab 1885 erfolgte eine umfassende Restaurierung des Schlosses. 1896 wurde der bisherige Holzaufbau des Bergfrieds entfernt und durch den jetzigen Abschluss ersetzt. Die letzten Um- und Zubauten wurden 1907 vorgenommen. 1934 gelangte das Schloss in den Besitz der Schwestern des Dritten Ordens vom Hl. Franziskus. Es wurde 1948 von der Wiener Malerinnung gepachtet, die hier eine Meisterschule des Malerhandwerkes einrichtete. Diese wird heute als HTL geführt. Die schweren Schäden, die das Gebäude zu Kriegsende bzw. in der folgenden Besatzungszeit erlitten hatte, wurden zwischen 1948 und 2000 behoben.

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