Duchcovský zámek dal v letech 1675–1685 vystavět Jan Bedřich z Valdštejna podle plánů architekta Jeana Baptiste Matheye (1630–1696) na místě staršího renesančního lobkovického sídla. Roku 1707 byl barokní zámek rozšířen o dvě boční křídla. Při stavební činnosti podle projektů Matheye vzniklo vnější zámecké nádvoří, navazující na čestný dvůr. Oba prostory byly odděleny ozdobným plotem, architektonicky členěnými pilíři se dvěma vázami a čtyřmi sochami z Braunovy dílny. Dvě představují zápasícího Herkula, další bohyni Minervu a boha Marta.


V roce 1722 byl slavnostně vysvěcen zámecký kostel Zvěstování Panny Marie, jehož výstavbu původně započal Arnošt Josef z Valdštejna podle plánů italského architekta Marca Antonia Canevale (1652–1711). Na výzdobě kostela, krčkem propojeného s jižním křídlem zámku, se podíleli špičkoví umělci tehdejší doby - sochař Matyáš Bernard Braun (1684–1738) a malíř Václav Vavřinec Reiner (1689–1743), působící spolu s architektem Františkem Maxmiliánem Kaňkou (1674–1766) ve službách Jana Josefa z Valdštejna.


Barokní období zámku vyvrcholilo stavbou hraběcího špitálu s kostelem Nanebevzetí Panny Marie s freskou Václava Vavřince Reinera (1689–1743). Autorství špitálu z let 1716–1728 je přisuzováno litoměřickému staviteli Octaviu Broggiovi (1670–1742) nebo architektu Františkovi Maxmiliánovi Kaňkovi (1674–1766).


Od konce 18. století, kdy vrcholil lázeňský věhlas nedalekých Teplic, bylo v zámku a v zámecké zahradě společensky velmi rušno. Pořádaly se zde pastýřské hry, divadelní a hudební představení, bankety a jiné slavnosti. Mezi slavnými návštěvníky nechyběl Lorenzo Da Ponte (1749–1838), Charles de Ligne (1735–1814), Friedrich Schiller (1759–1805), Johann Wolfgang von Goethe (1749–1832), Ludwig van Beethoven (1770–1827), Fryderyk Chopin (1810–1849) a další významné osobnosti.


V hlavním traktu zámku již po celé 19. století k závažnějším stavebním úpravám nedošlo. Kolem roku 1850 a znovu v roce 1884 byly prováděny jen drobné interiérové úpravy. Po pozemkové reformě, kdy v roce 1921 Valdštejnové prodali zámek státu a odvezli si většinu mobiliáře včetně historické knihovny, došlo zde k četným stavebním adaptacím. Krušné 20. století se nechvalně podepsalo na celém zámeckém areálu. Dne 10. května 1945 došlo během pobytu ruské osvobozovací armády k požáru kostela Zvěstování Panny Marie, jenž nenahraditelně zničil celý interiér kostela včetně Reinerových obrazů, Braunových soch a dalších uměleckých děl.


Z původního zařízení kostela požáru unikla jen tzv. Valdštejnská kaple na jižní straně lodi a krypta s ostatky osmi členů Valdštejnského rodu pod kaplí. V roce 1956 a v dalších letech byl zámecký park likvidován v souvislosti se zamýšlenou povrchovou těžbou uhlí, které padl za oběť i barokní špitál. V následujících desetiletích bylo území rekultivováno, park obnoven a přistoupilo se rovněž k celkové obnově zámeckého traktu. Byl zřízen i pavilon pro osazení vzácné Reinerovy fresky a také pro původní plastiky ze špitálního kostela. Do vnějších výklenků byly umístěny alegorické sochy z předpokládaného Braunova okruhu. Z původních porostů se ojediněle zachovaly duby, jasany, lípy a platany. Ostatní dřeviny jsou z pozdějších období, největší část tvoří nové výsadby. Život na zámku v období jeho „zlaté éry“ v 18. a 19. století dodnes připomíná Valdštejnský sál s rodovou galerií předků, obnovená zámecká obrazárna, Valdštejnské muzeum, expozice v tzv. Biliárovém křídle zámku, tři místnosti zámeckého personálu a muzeum věnované osobnosti Giacoma Casanovy (1725–1798), který jako knihovník a společník hraběte Josefa Karla Emanuela z Valdštejna prožil na zámku v Duchcově posledních třináct let svého života.