Na místě dnešního zámku stávala nejprve gotická tvrz pánů ze Šternberka, později přestavěná na renesanční zámek uváděný v roce 1579. V roce 1650 koupil panství Jan hrabě z Rottalu. Ten nechal v Holešově vybudovat nové rodové sídlo v raně barokním stylu podle projektu architekta italského původu Filiberta Lucchese a Pietra Tencalla. Z této doby pravděpodobně pochází základní dispozice zahrady s vodními plochami, která byla postupně doplňována ornamentálním členěním ústředního parteru. Je pravděpodobné, že členitá osová dispozice vodních kanálů a rozsah holešovské zahrady, známé od poloviny 18. století, byly vytvořeny etapovým budováním celého zámeckého komplexu od poloviny 17. století.
Původně raně barokní obdélníkový okrasný parter pravoúhle členěný se samostatným bazénem ve středové části, obehnaný ze tří stran širokým vodním kanálem, byl konzervativní koncepcí vodního zámku. Vodní plochy měly již od počátku hospodářskou funkci jako rybníky, zároveň sloužily k odvodnění okolí zámku a vytvořily rezervoár pro vodní příkop. Navazovaly plochy štěpnice a užitkové zahrady.
Charakteristický trojzubec vodních ploch holešovské zahrady se středním kanálem na hlavní ose je zachycen na plánu z poloviny 18. století, kdy byl majitelem holešovského panství kulturně aktivní František Antonín z Rottalu. V této době měl zámecký areál, zahrada s bažantnicí, rozlohu téměř 40 ha na rovinatém terénu s nepatrným sklonem k zámku. Se zahradou byla zámecká budova spojena mostem přes vodní příkop se zídkou zdobenou vázami a skulpturami. Síť kanálů o celkové délce kolem 980 metrů, napájená od bažantnice mlýnským náhonem, měla plochu vodní hladiny asi 16 500 m2. Střední kanál se hluboko zařezával do parteru před zahradním průčelím zámku a byl zakončen vodní kaskádou. Ústřední parter před zahradním průčelím byl bohatě zdoben ornamentálními koberci, kombinací ploch trávníku s broderiemi, po obvodu byl rámován na březích kanálů širokými stříhanými alejemi a sochami. Po stranách hlavní osy zmizely nádoby s nižšími rostlinami a byly nahrazeny stromořadím. V levé části se rozprostírala zelinářská zahrada s velkou oranžerií, štěpnice a geometricky členěná zahrada s alejemi pergol a stromů stříhaných do kleneb, po obvodu obklopená bohatě tvarovanými stříhanými stěnami. V pravé části zámecké zahrady se rozkládala velká užitková zahrada, štěpnice, gloriet a hospodářské příslušenství zámku. Bažantnice s hustou sítí průseků a alejí byla situována po obou stranách hlavní osy zahrady. V druhé polovině 18. století byla zahrada doplněna o bohatou sochařskou výzdobu, složky francouzské dispozice a hojné vrcholně barokní prvky.
V dalším vývoji zahrady docházelo hlavně z ekonomických důvodů k postupnému zjednodušování a hospodářskému využívání ploch při zachování členění a kompozice zahrady. Z roku 1775 pochází přeměna ornamentálních vzorů na parteru na trávník. Zjednodušení dalo vyniknout velkorysé kompozici. Z konce 18. století je doložena existence stříhaných pergol a loubí, kuželníku, jízdárny, čínské zahrádky, pavilonu a čihadla v oboře.
V roce 1830 byla přísně geometrická osnova parku ovlivněna zásadami přírodního parku. Na parteru byl zasypán bazén a střední rameno kanálu a byly vysázeny volné skupiny stromů. Ačkoliv provedené úpravy porušily ústřední prostor před zámkem, kanály a síť alejí byly překážkou pro přetvoření celé zahrady v přírodní park. Během 19. století zanikly pergoly a byla zrušena část zahradní zdi, bývalý vodní příkop byl u zahradního průčelí zasypán.
Kolem roku 1900 byl střed zahrady nepřesně rekonstruován, byl obnoven bazén a střední rameno kanálu. Do hlavní osy byly vysázeny jehličnany.
Zámecký areál po pánech z Rottalu vlastnili v letech 1833–1948 páni z Vrbna. V době jejich působení se do zámeckého areálu dostali koně a zvěř do obory.
Po znárodnění byl objekt určen ke kulturním účelům. V letech 1954–1955 vypracoval projekt úpravy zámecké zahrady v Holešově Ing. arch. Otakar Kuča, na kterého navázal Ing. arch. Dušan Riedl. V několika etapách pak došlo k realizaci obnovy, která se odráží v dnešní podobě zámeckého parku. Byla vyprojektována obnova rybníků v původním tvaru, pavilon byl adaptován na hvězdárnu a byl zřízen zoo koutek.
Celý zámecký areál byl v roce 1989 vrácen v restituci neteři původních majitelů, paní Anděle Dohnalové, která jej v roce 2005 prodala městu Holešov. Město Holešov zámek citlivě opravuje do dnešní podoby kulturního centra, kde se pořádá nespočet výstav, koncertů a jiných kulturních akcí.
