Burg Stahleck entstand im Auftrag der Kölner Kirche an der Stelle einer älteren frühmittelalterlichen Wehranlage. Über die genaue Entstehungszeit ist nichts bekannt. Als sie im Jahr 1135 erstmals in den Urkunden auftaucht, wird sie bereits einige Jahre bestanden haben. Damals war sie als Lehen des Erzstiftes Köln im Besitz des aus einem mainfränkischen Geschlecht stammenden Goswin von Stahleck. Ihm folgte sein Sohn, Hermann von Stahleck (1142-1156), der 1142 die Pfalzgrafenwürde übernahm. Er besaß Stahleck zusammen mit der Vogtei über die kölnischen Besitzungen um Bacharach als kölnisches Lehen. Nach seinem Tod 1156 kam die Burg an Konrad von Hohenstaufen, der jetzt von seinem Halbbruder, Kaiser Friedrich I. Barbarossa, mit der Pfalzgrafschaft betraut worden war. Kaiser Friedrich I. übertrug seinem Halbbruder die Burg Stahleck als Lehen, 1189 wandelte der König das Lehen sogar in ein Erblehen um. Wegen dieser Eigenmächtigkeit kam es später mit dem eigentlichen Lehnsherrn, dem Kölner Erzbischof, zum Streit. [siehe unten] Die Pfalzgrafen machten Bacharach im Laufe der Zeit zum Zentrum des entstehenden pfälzischen Territoriums und zur bevorzugten Residenz am Mittelrhein. Die Burg bildete zusammen mit Bacharach und Stahlberg eine Verwaltungseinheit.

Im Jahr 1194 fand in den Mauern der Burg die berühmte "Hochzeit von Stahleck", die Vermählung zwischen Heinrich, dem Sohn des Welfen Heinrich der Löwe, mit Agnes, der Tochter des Pfalzgrafen Konrad, statt. [siehe unten] Doch der Versuch, Staufer und Welfen auf diese Weise miteinander zu versöhnen, schlug letztendlich fehl.

1214 kam Burg Stahleck als erledigtes Lehen zusammen mit der Pfalzgrafenwürde an den Familienzweig der Wittelsbacher Pfalzgrafen. Die Burg sollte bis zum Ende des Alten Reiches bei den Wittelsbachern bleiben.

1243 wurde der seit 1156 schwelende Lehnsstreit mit dem Oberlehnsherrn, dem Kölner Erzbischof Konrad von Hochstaden, einvernehmlich geschlichtet. Die Burg blieb pfalzgräflich, die kölnische Lehenshoheit blieb vorerst bestehen. 1372 belehnte Erzbischof Friedrich von Köln letztmalig Pfalzgraf Ruprecht d.J. mit Burg Stahleck. Danach geriet die Lehnshoheit „in Vergessenheit“. Die Burg war pfalzgräflich geworden.

Die Pfalzgrafen verpfändeten Stahleck mehrfach, so etwa 1294 anlässlich der Heirat zwischen Pfalzgraf Rudolf und Mechthild für drei Jahre an König Adolph von Nassau, 1314 (Koch/Winkelmann, Reg. Pfalzgrafen 1,1927) und 1316 (Koch/Winkelmann, Reg. Pfalzgrafen 1, 1938) im Zusammenhang mit der Königswahl Ludwigs des Bayern an den Trierer Erzbischof und den König von Böhmen.

Im Februar 1317 söhnte sich Pfalzgraf Rudolf mit seinem königlichen Bruder Ludwig der Bayer aus. Die beiden einigten sich darauf, dass Rudolf die Burgen Reichenstein, Stahlberg, Stahleck und Braunshorn dem Mainzer Erzstift als Pfand übergeben sollte. Die Burgen konnten so als Sicherheit für die Übergabe des Zolls in Bacharach dienen, die den Erzbischöfen von Mainz und Trier sowie dem König von Böhmen verpfändet waren. Raugraf Georg hatte die Burgen treuhänderisch zu verwalten. Solange der Erzbischof an den Zollstellen sein Geld erhielt, blieben die Burgen pfalzgräflich. Nach vollzogener Rückzahlung der geschuldeten Summe hatten die Burgen wieder uneingeschränkt in die pfalzgräfliche Verfügungsgewalt zurückzufallen.

1322 waren die drei Burgen immer noch Erzbischof Balduin von Trier (zugleich Verwalter des Mainzer Erzstiftes) und seinem Onkel König Johann von Böhmen verpfändet. Als sich Balduin am 7. Juli 1328 mit der Gräfin Loretta von Sponheim sühnte – die Gräfin hatte ihn einmal sogar gefangen genommen -, verpfändeten er und König Johann der Gräfin die drei Burgen. Die Festen wurden treuhänderisch dem Grafen Wilhelm von Katzenelnbogen übergeben. Der Trierer zahlte das versprochene Sühnegeld bald danach. Am 28. November 1328 quittierte die Gräfin über 15.000 Pfund Heller. Der Erzbischof wies den Katzenelnbogener an, Stahlberg, Stahleck und Braunshorn, den Rittern Paul Eich und Heinrich von Bacheim sowie dem Edelknecht Werner Süß, alles Trierer Mannen und Amtleute, zu überantworten.

Auch in den Jahren danach diente die Burg mehrfach als pfalzgräfliches Pfandobjekt, so etwa 1338 (Koch/Winkelmann, Reg. Pfalzgrafen 1, 2186 und 2,188), 1342 (Reg. Pfalzgrafen 1,2486) und im Jahr 1354 (Koch/Winkelmann, Reg. Pfalzgrafen 1,6744).

Im Jahr 1344 wurde die Burg in die neue Stadtbefestigung von Bacharach mit einbezogen.

1352 wurden Burganteile durch Pfalzgraf Ruprecht d.Ä. dem Trierer Erzbischof zu Lehen aufgetragen. In der pfälzischen Landesteilung von 1353 wurde die halbe Burg Pfalzgraf Ruprecht d.J. zugesprochen.

Zwischen 1620 und 1640, im Dreißigjährigen Krieg (1618-1648), wurde die Burg insgesamt achtmal belagert und dabei schwer beschädigt (1620-32 von den Spaniern, ab 1632-35 von den Schweden, 1635 von den Kaiserlichen, im gleichen Jahr von weimarischen Truppen, 1640 von Bayern, 1640 erneut von Spaniern und 1644-50 von den Franzosen). Im Jahr 1666 waren die Zerstörungen aber wieder weitgehend beseitigt worden.

Im sog. pfälzischen Erbfolgekrieg wurde die Veste im Jahr 1689 durch französische Soldaten gesprengt. Nach der Auflösung des pfälzischen Kurstaates wurde die Ruine 1804 von den Franzosen zum Verkauf angeboten. 1828 erwarb sie Kronprinz Friedrich Wilhelm IV. von Preußen für seine Ehefrau Elisabeth von Bayern. Da das Gemäuer aber nicht wiederhergestellt werden konnte, verkaufte die preußische Domänenverwaltung die Burg im Jahr 1908 an den Rheinischen Verein für Denkmalpflege und Landschaftsschutz. Der Verein ließ 1925-1927 Ring- und Schildmauer nach alten Plänen wieder hochziehen und auf den ausgegrabenen alten Grundmauern eine Jugendherberge errichten (1926 eröffnet). Zwischen 1965 und 1967 wurde der im Unterbau noch romanische Bergfried wiederhergestellt und mit einem Kegeldach versehen. Außerdem entstand ein neuer Küchenbau.

Burgkapelle
Auf der Burg gab es eine Burgkapelle, die zum Kirchspiel Bacharach gehörte. 1371 Altarstiftung Beatae Mariae Virginis und Paulus durch Kurfürst Ruprecht; der Altar wurde 1384 und 1484 an einen Altaristen verliehen. Die Burgkapelle wird 1471 im Testament Pfalzgraf Ruprechts erwähnt.