Palenzuela fue cabeza del Alfoz de Palenzuela y posteriormente capital de la Merindad del Cerrato. Su castillo se documentó en el año 850, aunque no evitó que en el año 919, la localidad sufriera dos saqueos árabes. En septiembre de 1425 Juan II convocó cortes en Palenzuela, que tuvieron lugar en el convento de San Francisco que se hallaba extramuros de la villa, y coinciden con el momento de máximo esplendor de la población. En 1451, las fortalezas de Palenzuela, Hornillos y Cordovilla la Real, se sublevaron contra Juan II. La villa fue asediada con artillería, y se rindió en enero del año siguiente. Durante la Guerra de la Independencia (1808-1814), Palenzuela fue ocupada por las fuerzas francesas, que tenían su cuartel general en Quintana del Puente. Fue famosa la prisión de la fortaleza que se reservaba para grandes delitos o delitos políticos, quedando prohibido desde mediados del siglo XV encerrar en la misma a los vecinos de la villa. Existió otro castillo, ya desaparecido en 1218, que se encontraba en el despoblado de El Moral, en la confluencia de los ríos Arlanza y Arlanzón.
Formaba un triángulo con torres en sus vértices, uno de cuyos lados era la propia muralla de la villa. Construido en mampostería en el siglo XI. La coronación de los torreones es un calicanto también realizado mediante encofrados; y los diferentes pisos eran de madera, con vigas que se apoyaban en los muros y que aún se conservan en parte dentro de una de las torres. Por encima de los paredones, en los adarves, debió de existir un camino de ronda, como demuestran los huecos de la torre del homenaje que permitían la salida. En el exterior, es posible que existiera otra empalizada que rodease el conjunto, ya que el número de entradas en los paredes de barro y en las torres es más elevado de lo que solía ser habitual, y se conserva un corto trecho de muro arruinado de mampostería en paralelo a uno de los tres lados del castillo. Lo que parece que no existió es el foso.
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En ruina progresiva. La piedra exterior ya no se conserva y las torres se mantienen en pie por el relleno de sus muros en adobe. Actualmente tan solo permanecen las ruinas de dos torres y el basamento de la tercera, junto a fragmentos y arranques de algunos muros, sobre los que se aprecian todavía huecos de puertas y ventanas.
Pérdida del edificio ayudada por el abandono del mismo y la acción de la vegetación, con desgaste continuado de sus muros por las inclemencias del tiempo.