Zamek o charakterze obronnym wzniesiony został około 1650 r. dla Rafała Leszczyńskiego, a następnie rozbudowany i przekształcony przez jego syna Wacława - jednego z najznamienitszych obywateli Rzeczypospolitej - w okazałą rezydencję magnacką. W XIX w. kolejna właścicielka Gołuchowa, Izabela z Czartoryskich Działyńska, odrestaurowała zamek i wzorując się na zamkach położonych nad Loarą oraz częściowo na pałacach włoskich, nadała mu modny wówczas styl renesansu francuskiego. Architektem, który tego dokonał był Francuz Maurycy August Ouradou, a współpracował z nim Polak - Zygmunt Gorgolewski. Również Francuzi zdobili elewacje i wnętrza, poza tym wiele rzeźb upiększających do dziś dziedziniec zostało sprowadzonych wprost z Francji i Włoch. Tak więc budowla zamkowa, którą obecnie możemy podziwiać ma formę XIX-wieczną, jednak wiele jej fragmentów (jak choćby główny korpus z krużgankiem) i detali architektonicznych pochodzi z wcześniejszych faz budowy. I mimo że to Izabela Działyńska ostatecznie ów zamek stworzyła, nadal nazywany jest on zamkiem Leszczyńskich.
W zamyśle właścicielki zamek miał być nie tylko rezydencją mieszkalną, ale też muzeum (szła w tym śladem swojej babki - Izabeli z Flemingów Czartoryskiej, która takie muzeum stworzyła w Puławach). Działyńska zbierała grafiki, wyroby rzemiosła artystycznego, dzieła sztuki antycznej, meble, obrazy, tkaniny. Z jej kolekcji, jednej z najbogatszych w Polsce, ocalała po II wojnie tylko część.
W 1962 r. w odrestaurowanych wnętrzach zamku utworzono z dawnych zbiorów gołuchowskich i nowo pozyskanych: salę waz antycznych (VII-III w. p.n.e.), salę starożytności, pokoje gotyckie (gdzie prezentowane są dzieła sztuki z tego okresu), salę portretu staropolskiego i salę polską (wiszą tu stare kopie portretów królewskich, portrety hetmanów i wojewodów Rzeczypospolitej). W tych i pozostałych wnętrzach zachowały się renesansowe kominki, rzeźbione drzwi, bogato zdobione stropy (np. w sali królewskiej z wizerunkami władców Polski), malowidła. Ustawione w nich zabytkowe meble, obrazy, dzieła sztuki i rzemiosła artystycznego, europejskiego i polskiego, z XVI-XVIII w. dopełniają ekspozycję.
Zamek otacza park krajobrazowy, największy w Wielkopolsce, założony w XIX w., z dębami, których obwód dochodzi do 5 metrów. W parku znajduje się neorenesansowa kaplica - Mauzoleum Czartoryskich oraz oficyna zamkowa, w której mieści się jedyne w Polsce Muzeum Leśnictwa.