愛丁堡城堡所處的城堡岩，是3.4億年前火山活動的產物，人類在此定居的最早證據，是來自公元前900年的青銅器時代，考古發掘找到一幅岩畫，圖中繪有城堡岩之上有一群圓形房屋，公元78年羅馬軍團到達這裡時，此地已經有很多居民了。
羅馬人稱本地人為伏塔狄尼，隨即他們又被稱為葛德丁，他們在公元600年左右建築了極具歷史意義的城堡—鼎愛丁，意為〝愛丁要塞〞，雖然傳說當時有個巨人叫〝紅色Etin〞，但愛丁代表的是何人或何物都還是個謎，但城堡從此以後就是雄偉國王Mynyddog的要塞。Mynyddog的吟遊詩人阿內里的詩歌〝Y Gododdin〞記錄了葛德丁人與盎格魯人在約克郡的戰爭，後者是來自歐洲的入侵者，正是他們給英格蘭取了國名。這場戰爭對葛德丁人是毀滅性的，〝鼎愛丁〞在638年失守，盎格魯人就把城堡更名為愛丁堡，這就是它至今沿用的英文名。
公元843年左右，居住在福恩和克萊德北部的皮克特人與蘇格蘭人結合為一個國家—蘇格蘭，很快他們開始襲擊盎格魯人的領地，1018年蘇格蘭的馬爾科姆二世在愛丁堡南部80公里外的特威德河擊敗了盎格魯人，也就是現在的英國人。
1093年城堡岩上出現了一座名為少女城堡的皇家城鎮，1093年11月瑪格麗特王后居住於此。大衛一世在位期間（1142-53年），愛丁堡城堡成為主要的皇家要塞。這座早期的城堡是建構為封閉式結構，其可能以木材為主，只有小型的聖瑪格麗特禮拜堂和稍微大一些的聖瑪麗教堂（現在的蘇格蘭國家戰爭紀念館所在地）為石造的，大部分建築和防禦工事很可能是在13世紀以石材進行重建。可仍無法抵擋1296年初英格蘭國王愛德華一世的強大武裝，英格蘭人的佔領標誌著一座皇家城鎮的新紀元的來臨。
1296年僅僅三天的炮轟，英格蘭就佔領了愛丁堡城堡，他們統治了蘇格蘭18年。在1314年3月14日羅伯特．布魯斯重新奪回城堡，之後布魯斯下令將城堡拆除，讓英軍無法再使用該堡，三個月後布魯斯在班諾克本大勝英軍。接下來的20年中，城鎮處於荒廢的狀態，在1335年城鎮又落入英格蘭人手中，後來蘇格蘭人又一次憑著勇敢與智慧奪回了城堡。隨後布魯斯的兒子--大衛二世重回到蘇格蘭，開始了自己的統治，他重修城堡，並興建了以他為名的大衛塔，1391年2月他在城堡內去世。
大衛二世的去世標示著布魯斯王朝的終結，從此進入斯圖亞特王朝，在此期間愛丁堡作為蘇格蘭首席皇家城堡，達到了其重要性的巔峰。詹姆士三世在位期間愛丁堡成為蘇格蘭王國的首都，這是它地位大大提昇的重要原因，他將城堡作為長久居住之所，圍繞皇冠廣場這一新中心廣場，重新規劃為皇室住所。他的兒子--詹姆士四世在位期間，隨著1511年大禮堂的完工，城堡的建建工程達到了巔峰，現在城堡不僅是皇家住所，還是聖物、國家文獻的存放地，它不但為高級官員提供住處，也還囚禁犯人。
由於城堡高聳於多風的火山岩上，住在這裡並不舒適，因此斯圖亞特王朝傾向將王宮遷到位於皇家十哩遠端的聖路德修道院，到1560年新教革命時，因古老修道院被毀改建成新的聖路德宮，從此多風的愛丁堡城堡只有在皇室安全受到威脅或有外交禮儀需求時才被使用。1566年當蘇格蘭的瑪麗女王懷孕時，因她的這位孩子將會是未來蘇格蘭和英格蘭兩個王國的皇位繼承者，所以瑪麗女王才於4月份住進城堡，他的兒子就是未來統治蘇格蘭和英格蘭的詹姆士六世。
1576年5月6日蘇格蘭瑪麗女王最後一次踏入城堡，這次是為了她的婚禮，但她的這場婚姻卻引發了瑪麗族人的反叛，很快她被補獲並囚禁於洛克雷文城堡，在那裡她被迫讓位給她的兒子詹姆士六世，10月後她逃了出來，為了保命她想起了她的堂姐妹-英格蘭的伊麗莎白女王。雖然瑪麗女王逃走了，但蘇格蘭還是有人支持她的統治，在1571年愛丁堡總督威廉．克科底爵士堅守城堡，對抗詹姆士六世嬰兒時期的攝政王，戰爭持續了2年多，這就是著名的〝長期圍困〞。而逃至英格蘭的瑪麗女王，卻被她的堂姐英格蘭女王伊麗莎白一世以叛國罪送上了斷頭台。
圍困過後大衛塔被廢棄，人們在廢墟周圍建起了半月砲台，新建的鐵閘門代替了總管塔，成為城堡的主要入口。而破壞嚴重的皇宮被皇室冷落了42年，直到詹姆士六世下令對其進行重建，那是為了他在1617年返回蘇格蘭，慶祝自己成為蘇格蘭國王的50周年紀念。
1633年查理一世加冕為蘇格蘭國王，他是最後一位在這裡居住的掌權國王，1649年查理被處死，因王位繼承權的關係，奧利佛．克倫威爾於聖誕節時抵達蘇格蘭，並佔領了愛丁堡城堡。於是城堡開始成為防衛的要塞，只有在戰爭危急時期，城堡內才會有住人，承平的時候堡內只供軍隊駐紮之處。現在城堡內所見到的很多建築，都是17世紀以後為軍隊駐守而建造的，一些重要中世紀的建築多已毀壞，其他一些建築則被改建成軍事用途，其中包括古老的皇宮，防禦工事也得以重建，因為該堡依舊是重要的軍事目標。
1818年2月，沃爾特．斯科特爵士帶人找到了蘇格蘭聖物—皇冠、權仗及國家寶劍，它們是詹姆士四世和五世在位時期打造的，這些寶物第一次共同使用，是在1543年蘇格蘭瑪麗女王加冕典禮上，它們也是大不列顛群島上最古老的寶物。聖物的重新發現，讓城堡有了新的用途，那就是作為旅遊景點，隨著觀光趨勢的不斷發展，開始了一部分新一輪的重修，如1888年主要入口的新塔樓，它讓城堡看起來更有真正城堡的模樣，並在1891年重建了大禮堂。愛丁堡在作為古代遺跡和旅遊景點的功能，是在1905年正式確立的，現在這座皇家城堡歷經千百年後，依舊是蘇格蘭最有力的象徵，它是蘇格蘭傲人的中世紀標誌。
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