En 924, le comté du Hiémois est conquis par Rollon. Ce dernier le partage en centenies et dixainies. La châtellenie de Chambois est alors érigée en centenie, administrée par un vicaire. En 1024, Richard II de Normandie la concède à Drogon de Vexin, comte du Vexin et de Ponthieu. Un château existait peut-être déjà à cette époque, mais aucune trace archéologique ne permet d’en dessiner les contours. Chambois est confisquée en 1113 par Henri I^er Beauclerc et elle est confiée au futur Henri II Plantagenêt. Le donjon a été construit entre 1160 et 1190 par Guillaume de Mandeville, comte d’Essex et proche du roi Henri II.

Le château intègre les principes d’architecture communes aux constructions castrales Plantagenêt. Le donjon forme un grand rectangle orienté est-ouest de 21,40 mètres par 15,40 mètres, pour une hauteur totale de 26 mètres. Ses murs, construits en petit appareil irrégulier et revêtus d’un parement en pierres de taille, ont une épaisseur à la base de trois mètres. Sa morphologie rappelle le château de Bamburgh (Angleterre), construit quelques décennies plus tôt. Comme pour les exemples – outre-Manche – d’Hedingham, de Newcastle et de Douvres, les constructeurs ont choisi d’évider les murs d’enveloppe, au-dessus du rez-de-chaussée, pour y encastrer des couloirs, salles et latrines, afin d’améliorer le confort de l’édifice et la circulation dans les niveaux. Il s’agit d’un mode architectural relativement commun pour les donjons construits sous le règne d’Henri II Plantagenêt. Chambois est néanmoins le seul exemple continental ayant intégré ce principe.