Cet emplacement stratégique fut choisi en des temps fort anciens pour établir un oppidum. Sous le règne de Charlemagne, des fortifications de bois s'élevaient probablement sur le site. En 850 les Vikings ravageant la Bourgogne, l'installation d'un dispositif défensif plus important devint nécessaire afin d'abriter les villageois. Le seigneur des lieux traça une ellipse de 120 mètres de long pour environ 60 mètres de large, appareillée en petits moellons grossiers. Il l'entoura de fossés. Ses murs de 2 mètres d'épaisseur furent flanqués d'une tour carrée à l'extrémité nord et d'une tour ronde au milieu du rempart est. Il sépara cette ellipse en deux cours par un mur de 16 mètres de haut ; au nord furent établis les logis seigneuriaux, au sud la basse cour et son colombier.
Du IXe au XVe siècle, Thil sera sans cesse agrandi, modifié, le site accroissant ses qualités résidentielles tout en conservant ses prérogatives défensives.
L'apogée du site est liée à Jean II de Thil qui dote le site de ses plus beaux éléments architecturaux. De toutes ces modifications subsistent de superbes celliers datés du XIIe siècle aux voûtes de style roman et gothique ; le donjon du XIVe siècle ; « l'Espionne de l'Auxois », une tour de guet de cinq étages, s'élevant à plus de 25 mètres de haut, repérable 30 km à la ronde, qui fut construite en 1366 sur la face ouest du château suite à l'attaque d'une bande d'écorcheurs (lesquels sévissaient tout particulièrement en Bourgogne) ; la cuisine aux trois cheminées monumentales, dont l'une est conçue pour y cuire un bœuf entier et une autre pour les sangliers, chevreuils… ; une remarquable « maison des Gardes » dont nous pouvons encore observer à l'étage deux superbes cheminées et l'assise de double latrines.
