Mit Ramunt von Chornespach wird Karlsbach im Babenberger-Urbar 1160 erstmals erwähnt. 1254 scheinen die Brüder Otto und Herandus de Chornespach auf. Um 1377 dürfte die Familie mit Otto von Kornspach ausgestorben sein.

Die Burg wurde aber bereits 1282, 1298 und 1381 dem Bistum Freising verpfändet. Ab 1388 gehörte sie Friedrich von Wallsee. Danach wurde sie landesfürstlich, war aber fast ständig als Pfand vergeben. So waren um die Mitte des 15. Jahrhunderts die Herren von Eytzing Pfandinhaber, auf die bis 1467 Wolfgang Meilesdorfer folgte. Als der nächste Besitzer, Johann von Plankenstein, 1483 starb, zog Kaiser Friedrich III die Herrschaft ein. 1522 kam Karlsbach als Lehen und drei Jahre später als freies Eigen an Gabriel Salamanca Graf zu Ortenburg.

Um diese Zeit erfolgte ein wesentlicher Ausbau der Befestigungsanlagen und der Wohnbauten. Die Ortenburger verpfändeten den Besitz 1553 an die Geyer von Osterburg und 1592 an die Freiherren von Althan. Während des Bauernaufstandes von 1595 wurde die Burg schwer verwüstet. Eustach von Althan kaufte schließlich 1598 die Herrschaft. Sein gleichnamiger Sohn veräußerte sie aber bereits 1604 an Johann Linßmayer. Hans Joachim von Zinzendorf erwarb Karlsbach 1612. Von seinen Nachkommen gelangte es 1685 an Balthasar Graf Starhemberg, dessen Nachkommen die Herrschaft bis 1936 besaßen. Rupert Hatschek baute in den Jahren 1950 bis 1960 die Wirtschaftsgebäude der ehemaligen Vorburg in ein gepflegtes modernes Schloss um. Es gehört nach wie vor seiner Familie.

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