Agnes von Poitou, die Witwe Kaiser Heinrichs III, besaß vor 1077 die Herrschaft Petronell. Wenige Jahre später waren hier die Markgrafen von Vohburg begütert. 1142 gab Markgraf Diebold von Vohburg die Herrschaft an Kaiser Konrad III zurück und ersuchte ihn, Petronell dem Hugo von Liechtenstein als freies Eigen zu überlassen. Nach den Liechtensteinern übernahmen 1306 die Herren von Kranichberg den Besitz. In einem Teilungsvertrag von 1436 wird die Feste Petronell erstmals genannt. 1496 vermachte einer der Kranichberger das Gut testamentarisch dem Hochmeister des St. Georgsordens, Hans Geumann.

Als 1541 der letzte Hochmeister starb, ließen die Habsburger die niederösterreichischen Lehen des Ordens durch die niederösterreichische Regierung verleihen. 1573 wurde Hans Khobenzl von Erzherzog Karl mit der Verwaltung der Ordensgüter betraut. 1602 kam die Herrschaft an das Jesuitenkollegium in Graz, das sie acht Jahre später dem bisherigen Pächter, Hans Christoph Freiherrn von Unverzagt, veräußerte. Gabriel Bethlens Soldaten richteten 1619 im Schloss große Zerstörungen an. Danach erfolgten ein Abbruch mittelalterlicher Bauanlagen und der Neubau eines Traktes im Südosten. Durch Kauf wurde 1629 Frau Marusch von Weber Schlossherrin.

Über Katharina Ursula Freiin von Weber kam Petronell schließlich 1650 als Heiratsgut an Ernst III von Traun. Nach dem Aussterben der Petroneller Linie der Traun fiel die Herrschaft an die Maissauer-Linie der Reichsgrafen von Abensperg-Traun. Zwischen 1660 und 1673 bauten Domenico und Carlo Martino Carlone sowie Carlo Carnevale die alte Wasserburg zum heutigen Schloss um. 1683 verwüsteten die Türken das Schloss und zündeten es an. Ebenso schwerwiegend waren die Schäden, die nach 1945 zuerst durch Artilleriebeschuss und dann durch russische Truppen entstanden. Sie konnten aber in der Nachkriegszeit bald behoben werden. Die Familie Abensperg-Traun ist heute noch der Besitzer des Schlosses. Das bereits stark vernachlässigte Gebäude wurde 1996 an den Architekten Dipl. Ing. Walter Hildebrand verpachtet.

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