En 1407 Henriette de Montfaucon (Henriette d'Orbe) épouse le comte allemand Eberhard IV de Wurtemberg, fils du comte Eberhard III de Wurtemberg, et fait passer Montbéliard dans le domaine de cette famille sous suzeraineté du Saint Empire romain germanique pour 4 siècles.

En 1793, le château est rattaché à la République française comme garnison, rôle qu'il remplit jusqu'en 1933.

Le château est aujourd'hui un musée qui regroupe d'importantes collections d'histoire naturelle et archéologiques. Cette section du musée porte d'ailleurs le nom du célèbre anatomiste Georges Cuvier, enfant du Pays de Montbéliard, et lui dédie une salle.

Un circuit historique dans les deux tours et le fronton, relate l'histoire du château et de ses illustres propriétaires. Des pièces exceptionnelles du mobilier montbéliardais y sont présentées ainsi que de nombreux portraits des ducs et duchesses de Wurtemberg. Le musée abrite également une riche collection d'art contemporain autour des œuvres du peintre Jean Messagier.