Le château et le domaine de Thouars occupent en partie  l’emplacement de l’ancienne bastide de Baâ, fondée à la fin du  XIII^e siècle dans la forêt royale par l’évêque de Bath. Elle était un des symboles de la puissance anglaise en Guyenne sous Edouard III d’ Angleterre. Le domaine était alors la propriété de Robert Burnell, nommé évêque de Bath en 1275. En  1286, Édouard I^er  (1239-1307), roi d’Angleterre et duc d’Aquitaine, décide de créer une bastide dans la forêt royale de Talence.

La construction dure du 10 février 1287 au mois de juin 1288. Pour diverses raisons, cette bastide, nommée Baâ, périclite rapidement. Au XIV^e et XV^e siècle, un pavillon de chasse servant de rendez-vous de chasse aux rois d’Angleterre fut édifié.
Anoblie et fortifiée, deux tours subsistent des quatre de la construction primitive, la demeure devint seigneurie  au XVI^e siècle.
Selon une tradition rapportée par des historiens de la fin du 18^e et du 19^e siècle (Baurein et Guillon principalement), le château de Thouars ou castellum Toarcis était le lieu où les rois d’Angleterre allaient prendre le plaisir de la chasse du temps où la Guyenne appartenait aux Plantagenêts. Un château a pu être édifié à proximité de la bastide de Baâ qui ne connut qu’une brève existence aux XIII^e et XIV^e siècles.

Au XV^e siècle les propriétaires connus furent Bernard de Lesparre, son fils Lanselot, puis le noble François Vacquier.
C’est alors qu’apparaît la famille d’Agès, connue à Bordeaux depuis le tout début du XV^e siècle. Elle est du parti anglo-gascon. Bertrand d’Agès a participé à la « male jornade » du 1^er novembre 1450, puis à la bataille de Castillon, le 17 juillet 1453. Fait prisonnier, il mourut peu après en captivité à La Rochelle. Les biens de la famille furent confisqués et remis à Jehan Bureau, trésorier de France, qui les céda à Louis XI. Celui-ci les restitua à la famille d’Agès en 1462, mais un long procès, qui les opposait aux Albret, dura 32 ans avant qu’ils puissent jouir à nouveau de leurs biens.
Le 24 juillet 1505, anoblissement de la maison de « La Mothe de Thouars »  qui se transforme en maison forte. Pierre II d’Agès (écrit Dagès), seigneur de Saint-Magne, panetier ordinaire du roi en 1501, devient seigneur de la maison de Thouars. Il est sous-maire de Bordeaux.
Marié à Demoiselle Philippa de Saint-Gelais, il est vassal des « seigneurs jurats » de Bordeaux, auxquels il rend hommage.
A partir de 1502, la famille va connaître une rapide ascension en la personne de Pierre II. Panetier ordinaire du roi en 1501, il est admis à la Cour puis assume, à partir de 1525, des ambassades importantes. Le 18 juin 1530 Louise de Savoie, la mère du roi François Ier, dut s'arrêter à Thouars où la maladie l'immobilisa.
Le 11 juillet 1530, c’est Thibaud d’Agès qui reçoit la reine Éléonore de Habsbourg, dite d’Autriche (1498-1558), seconde épouse de François 1^er et les deux enfants du roi qui reviennent d’Espagne. La reine est la sœur aînée de Charles Quint. Pierre II d'Agès reçoit en effet à Bordeaux la reine Eléonore d’Autriche, épouse de François Ier, et ses fils. Il est sous-maire à Bordeaux à plusieurs reprises. En 1544, des documents conservés aux Archives départementales de la Gironde révèlent qu’il fit entreprendre l’édification de divers bâtiments sur ses terres de Thouars. Il confie les travaux à deux maçons Guillon de Brey et Jacques Ardoyn moyennant 9 sols tournois par brasse de muraille, une pipe de froment, une barrique de vin, un pourceau, des fagots et du bois, le logis et un demi-boisseau de fèves. Le chantier occupa alors 12 ouvriers.
En 1556, le fils du propriétaire de la maison noble de Thouars est poursuivi pour crime d’hérésie.
En 1551 et 1554 : Pierre d’Agès est qualifié seigneur de Saint-Magne, Thouars et La Motte Saint-Sulpice (actuelle commune de Saint-Sulpice-et-Cameyrac).
En 1557, René d’Agès succède à Pierre II. René d’Agès est mentionné « seigneur de Touars et de la Motte-Saint-Sulpice » dans un acte de juin 1561.Toujours en grande faveur à la Cour, il reçoit entre le 3 et le 9 avril 1565, Charles IX et le futur Henri IV. Mais René d’Agès est inquiété un certain temps en raison de l’aide qu’il apporta aux Protestants. Toutefois ses relations étouffèrent rapidement cette disgrâce. Au XVII^e siècle, l’histoire de la maison noble de Thouars est complexe.
En 1587, Henri IV, roi de France, aurait séjourné au château.
En 1623, la seigneurie est cédée par « adjudication judiciellement faicte aux Requestes du Pallais du Parlement à Bordeaux » à dame Anne d’Olive. Cet acte marqua le début d’interminables procès. Thouars resta aux héritiers de François d’Agès qui continuèrent à se disputer le domaine. En 1629 « les sieurs d’Ages avaient fait une assemblée dans la maison de Thouars de 25 à 30 gentilhommes et de 50 à 60 soldats armés de pistolets, arquebuses et mousquets… ». En 1637, un acte décida que le domaine restait indivis. Puis on recommença à plaider pendant près de 50 ans. En 1684, Eleonor d’Agès gagna ce long procès et rendit hommage pour la baronnie de Thouars. En 1692, la seigneurie fut acquise par Jacques Demons « conseiller du roi en la Cour de Parlement de Bordeaux et commissaire aux requêtes du Palais ». Il meurt en 1720 « dans sa maison, sur les fossés du Chapeau Rouge ». Du vendredi 17 mai 1720 : Mme la présidente de Gourgue [Marie de Mons, épouse de Michel-Jean de Gourgue] a accouché à midi dans sa maison de campagne de Thouars d'une fille [Marie], très heureusement (Mémorial de Labat de Savignac). Pendant une cinquantaine d’années, les documents font défaut. C’est cependant au cours de cette période que l’on peut situer d’une part des projets d’aménagement du parc : création de boulingrin dont les dessins sont conservés aux Archives municipales de Bordeaux et décoration d’une fontaine par une statue de Vénus debout sur une coquille et d’autre part, l’édification de la façade nord, plaquée sur une courtine beaucoup plus ancienne. En 1771, messire Michel-Joseph de Gourgues, président au Parlement de Bordeaux achète Thouars par contrat.
Le domaine est acquis en 1771 par le président Lalanne qui meurt en 1774. Ce qui voudrait dire que M.-J. de Gourgues l’aurait acquis puis s’en serait dessaisi immédiatement ( ?). L’exécuteur testamentaire du président Lalanne est le chevalier Le Comte, captal de La Tresne. M. Ferrus décrit la cérémonie d’hommage que le captal rendit aux jurats bordelais, le 12 juillet 1777. « Il reconnaît tenir Thouars et ses dépendances, s’étendant sur les paroisses de Talence, Gradignan et Villenave dans les juridictions et comté d’Ornon, sous la redevance d’un épervier volant d’hommage tous les 29 ans. N’ayant pu se procurer l’épervier, il prie les seigneurs d’accepter, au lieu et place de l’oiseau, une paire de gants brodés. » Après la mort du marquis de La Tresne en 1782, son héritier « chevalier de Malthe » conserve quelques années le château puis il le cède à M. de Galatheau. Celui-ci le vend en 1788 pour 50 000 livres tournois à Mr Jean Tarteiron de Saint Remi, membre d’une famille protestante, originaire du Languedoc, qui avait bâti au XVIII^e siècle une grande fortune dans l’armement. Cette vente entre une famille de parlementaires et une famille de négociants illustre bien l’appropriation des grands domaines par le négoce avant la Révolution. Le début de la Révolution fut marqué par un événement typique de cette période : les paysans envahirent le château, s’y livrèrent au pillage et firent un autodafé du lit où Charles IX avait couché. En 1795 est percée à travers le bois de Thouars la première route joignant Talence à Villenave-d’Ornon. En 1822, Jean Tarteiron est inhumé dans sa propriété de Thouars. Jean Tarteiron laisse à sa mort en 1822 une succession de 364.458 F. Elle comprend 50.458 F de biens mobiliers, deux maisons et une écurie à Bordeaux (89.000 F), son domaine de Thouars (80.000 F) et un domaine à Saint-Estèphe (145.000 F). En 1835, Mme Tarteiron fit relever les tours du château. Celui-ci devint ensuite la propriété de Charles Balguerie en 1859. Les Balguerie firent appel à l’architecte Pierre-Charles Durand. Les travaux de restauration en firent un château « mi-gothique, mi-moderne, ce qui constitue un amalgame bizarre » (Aurélien de Sarrau). Puis la marquise du Vivier (Madeleine Lawton ?), mentionnée en 1913 lors de la description d’une stèle grecque découverte dans le parc du château, et Théodore d’Ornellas furent les propriétaires suivants. Durant la Grande Guerre, le domaine a été réquisitionné par les Anglais qui l’ont transformé en hôpital de campagne. Durant la seconde guerre mondiale, les Allemands l’ont réquisitionné à leur tour. En 1957, la ville de Talence se porte acquéreur du domaine de 70 hectares et du château pour la somme de 70 millions d’anciens francs. En 1958, elle accorde trois hectares et demi au Comité du logement des Anciens Combattants et Victimes de Guerre qui y édifie 87 maisons abritant 350 personnes. Talence compta ainsi un nouveau quartier : celui de Thouars.
Jusqu’en 1981 le château abrite un hospice de vieillards.
La bâtisse a été rénovée en 1999.
Le château abrite aujourd’hui une pépinière d’entreprises ainsi qu’un lieu d’accueil parents-enfants.