Autorem současné podoby zámku byl bezpochyby vídeňský dvorský architekt Johann Lucas von Hildebrandt. Stavbu v Nebílovech realizoval jako své první velké dílo plzeňský stavitel a pozdější nejvýznamnější představitel barokního stavění na plzeňsku Jakub Auguston. Nebílovský zámek je úzce spjat se jménem Adama Jindřicha hraběte ze Steinau, císařského generála a maršála Benátské republiky, a hraběte Vojtěcha Czernina z Chudenic, nejvyššího lovčího Království českého, posledního mužského člena chudenické větve slavného rodu.


Poté, co se po bouřlivých válečných létech rozhodl vítěz nad Turky od Nových Zámků polní maršál Adam Jindřich ze Steinau, uchýlit do ústraní, zakoupil na doporučení svého přítele, hraběte Jana Josefa z Wrtby, v roce 1705 nebílovské panství a i s rodinou se patrně přestěhoval na zdejší starý zámek. Ihned začíná s radikální přestavbou zámku podle návrhu Johanna Lucase Hildebrandta. Steinau se však nové barokní rezidence nedočkal. Umírá v 31. 10. 1712 a panství dědí jeho dcera, vzdělaná a uměnímilovná Marie Terezie, provdaná za Františka Václava z Wrtby, bratra výše zmíněného Nejvyššího purkrabí království Českého. Zámek je poté prodán hrabatům Černínům z Chudenic a před rokem 1720 stavebně dokončen. Unikátní je architektonická dispozice objektu. Dvě podkovovitá křídla zámku jsou situovaná proti sobě na podélné ose dvora. Obě budovy byly původně propojené po stranách nádvoří stojícími jednopatrovými objekty, nesoucími ploché terasy s balustrádou.


V zadním objektu se nachází reprezentační místnosti - mj. velký taneční sál, stavebně upravovaný v 80. letech 18. století, a kaple sv. Antonína. V předním stavení s průjezdní hodinovou věží existoval menší sál s barokní nástropní malbou. Na východě přiléhal k areálu hospodářský dvůr, na západě formálně upravená zahrada s velkou fontánou a třemi pavilony v ohradní zdi s nikami. Po dokončení nebyl zámek z důvodu statických poruch prakticky až do roku 1785 obýván. Teprve za Vojtěcha hraběte Černína z Chudenic, nejvyššího lovčího Království českého je zde provedena i v souvislosti se stavbou nedalekého lesního zámečku Kozlu zásadní rekonstrukce, upraven taneční sál, a celý objekt vymalován Antonínem Tuvorou. Malby se z větší části dochovaly dodnes a jsou předmětem postupného, náročného restaurování. Od roku 1816, po Černínově smrti není už zámek v Nebílovech používán jako reprezentační rezidence, ale je novými majiteli, hrabaty z Waldsteina – Vartemberka určen k hospodářskému využívání. Během následujících 100 let se budovy zámku téměř rozpadly. Počátkem 20. stol. se zřítila obě spojovací křídla, postupně jsou likvidovány objekty hospodářského dvora.


V roce 1919 byl celý areál v rámci pozemkové reformy přeměněn na zbytkový statek a později necitlivě rozparcelován a rozprodán. Od roku 1968 je v majetku státu a je zde prováděna postupná obnova. Nebílovský zámek je představitelem typické vídeňské barokní architektury, v českých zemích ojedinělé. Svou výjimečnou půdorysnou dispozicí připomíná zámky v Aschachu, Halbturmu, vídeňskou rezidenci Belevedere, či salzburský Mirabell – prvořadá díla architekta J. L. von Hildebrandta. Řada architektonických prvků a dispozic je shodná i se zámkem v Pommersfelden v Horních Francích. Naprosto unikátní a ojedinělá je Tuvorova výmalba zejména tanečního sálu, zakotvená už ve formách klasicismu, ale pořád ještě rokokově hravá. Malba na ploše cca 400 m2 představuje fantaskní subtropickou krajinu se zvířaty, bujnou vegetací a antickými architekturami. Její paralelu bychom našli v císařských apartmánech vídeňského Schönbrunu, či v zahradním pavilonu kláštera v Melku, kde Tuvora v 70. letech 18. století rovněž působi.