Als erster Besitzer der kleinen Wasserburg wird 1343 Jakob Strachner, ein Gefolgsmann der Schaunberger, erwähnt. Der Ort Mistelbach ist bereits um 985 als "Mistilpahc" bekannt.

1407 gehörte Mistelbach dem Weikhard von Pollheim. Siegmund Kirchberger erhielt 1454 das Schloss als Leibgedinge. Nach dem Tod des letzten Schaunbergers, Wolfgang II, ging die Lehenshoheit an die Söhne des Erasmus von Starhemberg über. 1591 wurde Karl Freiherr von Gera und danach Adam von Traun mit Mistelbach belehnt. Zu den folgenden Besitzern zählten Wolfgang von Pollheim (1599), Gregor Hack von Bornimb (1604), Eleonore Turmanovic (1697), Adam von Kauthen und Franz Wenzel Freiherr von Rumerskirch (1768).

Unter den Hacks erfolgte der Umbau der Wasserburg zum Wasserschloss. Von 1772 bis 1885 war Mistelbach im Besitz der Grafen Firmian. Anna Reichsgräfin von Firmian verkaufte das Gebäude an die Oberösterreichische Volkskreditbank. Deren Direktor setzte sich dafür ein, dass die Haushaltungsschule von Schloss Rannariedl nach Mistelbach verlegt wurde. 1898 wurde das Gebäude restauriert und dem neuen Verwendungszweck angepasst. Bei einem neuerlichen Umbau des Schlosses wurde 1946 der bereits baufällige Turm abgetragen. Das Schloss gehört heute dem Land Oberösterreich, das hier sowie in den benachbarten modernen Neubauten eine landwirtschaftliche Fachschule für Mädchen mit angeschlossenem Internat unterhält.

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