Le territoire du Tremblay-sur-Mauldre est tout d'abord connu par la présence de la ferme d'Ythe, autour de laquelle un site archéologique a été découvert et fouillé, notamment lors de la déviation de la RN12 au niveau de Jouars-Pontchartrain.
Cette ferme qui, au 13ème siècle appartenait aux Cisterciens puis au 17ème siècle à la célèbre famille des Phélypeaux, révèle que Le Tremblay-sur-Mauldre fut un acteur important de l'histoire.
L’église Saint-Gilles et Saint-Leu, datant, à l’origine, du XIIIème siècle, et dont la nef a été reconstruite au XIXème siècle.
Le château du Tremblay-sur-Mauldre, construit dans la première moitié du XVIIème siècle par François Mansart pour la famille Le Clerc du Tremblay, qui possédait la seigneurie du Tremblay depuis le XVème siècle. À cette famille appartenait alors François Le Clerc du Tremblay, moine capucin plus connu comme « Le Père Joseph », le plus proche conseiller du Cardinal de Richelieu qui souhaitait en faire son successeur, mais lui survécut. Des Le Clerc du Tremblay, le château du Tremblay s’est transmis par successions aux familles d’Angennes, de Saint Georges de Vérac, puis de Rougé. Cette dernière famille le vend en 1910 au comte et à la comtesse Robert de Vogüé, née Lucie Sommier, qui le font restaurer. Les travaux effectués alors se situent dans la ligne de ceux menés quelques années auparavant, sur une échelle beaucoup plus vaste, par les parents de la comtesse, Monsieur et Madame Alfred Sommier, à Vaux le Vicomte. Les façades du château du Tremblay sont reprises ; les chaînages, aux encadrement des ouvertures, sont restitués ; le parc à l’anglaise est redessiné à la française. Après la mort de la comtesse Robert de Vogüe, en 1946, le château devient en 1947 la propriété de la ville de Neuilly sur Seine, qui l’affecte à ses œuvres sociales. Dans les années 1980, le domaine redevient propriété privée pour être aménagé en golf. Depuis 2010, c’est un centre de séminaires, hôtel et club de golf, dans le cadre de la société Chateauform. Les façades et toitures du château et des dépendances sont classées monument historique depuis un arrêté du . Le parc, les intérieurs du château et des communs sont inscrits aux Monuments historiques depuis un arrêté du . La paternité de sa conception a été restituée récemment à l’architecte François Mansart.