Die Burg Sonnberg wird als "Sunnenberg" 1177 erstmals urkundlich erwähnt. Allerdings befand sich diese etwas oberhalb des heutigen Schlosses. Die Familie, die sich nach diesem Sitz nannte, ist im Hollabrunner Raum seit 1066 nachweisbar. Damals wird ein "Liutwin de Sunnberg" genannt. Er war Lehensträger der Markgrafen von Cham-Vohburg.

In der Kuenringerfehde wurde die Burg durch Herzog Friedrich II 1231 zerstört. Nach Beendigung der Kämpfe errichteten sie am Ufer des Göllersbaches eine Wasserburg. Vivianz, der letzte Sonnberger starb 1400. Die Burg war aber bereits 1331 von den Tursen von Rauheneck übernommen worden. 1377 erwarb Kadolt d. Ä. von Eckartsau die halbe Herrschaft.

Es gelang ihm 1386 auch die zweite Hälfte zu bekommen. Als Jörg von Eckartsau 1494 ohne männliche Erben starb, wurde Sonnberg wieder geteilt. Christoph von Rohr, einer der Schwiegersöhne des letzten Eckartsauers, konnte aber beide Hälften wieder vereinen. Auch er starb 1516 ohne Nachkommen. Über Christoph Freiherrn von Ludmannsdorf kam Sonnberg 1523 an Hans Wolfgang Matsebner. Nach dessen Tod übernahm 1559 Christoph von Rueber die Herrschaft. Die Burg wurde erweitert und im Inneren neu ausgestattet. Eine Testamentsanfechtung führte dazu, dass die Herrschaft 1565 den Brüdern Wolf Georg und Hans von Gilleis zugesprochen wurde. Die anderen Erben wurden nach einem weiteren Gerichtsverfahren bis 1574 ausbezahlt.

Wolf Georg ließ die Wasserburg um 1596 im Stil der Spätrenaissance zum Vierflügelbau ausbauen. Im Verlauf des 30-jährigen Krieges wurde das Schloss zuerst von Graf Matthias Thurn und dann 1645 von den Schweden erobert. Schließlich verkaufte Isabella von Gilleis 1663 den bereits herabgekommenen Besitz an Gundaker Graf Dietrichstein. Es blieb bei der Familie bis 1864. Dann wurde es an Erwein Carl Graf Schönborn-Puchheim verkauft. Prinzessin Friederike zu Lippe-Biesterfeld, eine geborene Gräfin Schönborn, verkaufte 1934 den Besitz an Prinzessin Ileana von Rumänien, die Gattin des Erzherzogs Anton von Habsburg-Lothringen.

Im Zweiten Weltkrieg richtete Prinzessin Ileana im Schloss ein Lazarett für rumänische Soldaten ein. Nach Kriegsende wurde das Gebäude von den Russen besetzt und als Kaserne verwendet, wobei es völlig devastiert wurde. 1955 wurde es vom Erzherzog an die Justizverwaltung der Republik Österreich verkauft, die auf dem Schlossgelände eine moderne Strafvollzugsanstalt einrichtete. Das Hauptgebäude wurde von 1963 bis 1965 bzw. von 1971 bis 1973 restauriert und dient als Verwaltungsgebäude der Anstalt.

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