Op de plaats van het kasteel van Arenberg stond sinds de 12de eeuw de burcht van de Heer van Heverlee. In de loop van de volgende eeuwen verarmde deze familie, zodat in 1445 de toenmalige heer verplicht was de heerlijkheid te verkopen.
Op die manier kwam het domein in handen van de Picardische familie van Croÿ. Onder Willem II van Croÿ werd de middeleeuwse burcht geleidelijk vervangen door het huidige kasteel. Deze Willem van Croÿ stichtte ook het Celestijnenklooster op het domein van het kasteel (de huidige bibliotheek van de campus).
Nadat de laatste hertog Karel III van Croÿ in 1612 kinderloos overleed, kwam het kasteel, via het huwelijk van zijn zus, in handen van de hertogen van Arenberg. Deze Duitse familie bewoonde het kasteel tot aan de Eerste Wereldoorlog. Veel van de hertogen waren geboeid door de wetenschap en onderhielden nauwe contacten met de universiteit. Nog voor de oorlog uitbrak wilde de toenmalige hertog het kasteel al afstaan aan de universiteit en het omliggende park voor een gunstige prijs aan haar verkopen.
Door de oorlog en het feit dat de hertog Duits onderdaan was, legde de Belgische Staat echter in 1919 beslag op het domein, en zo duurde het nog tot 1921 eer de universiteit het kasteel en park (29 ha) kon verwerven. Het park groeide uit tot een campus voor positieve- en ingenieurswetenschappen, in de stijl van een Amerikaanse universiteitscampus.
