Oorspronkelijk maakte het domein integraal deel uit van het Zoniënwoud. In 1833 kocht markies Maximilien de Béthune 341 ha bos dat hij gedeeltelijk liet ontginnen om er een park aan te leggen. Hij liet drie wachtershuisjes en twee boerderijen bouwen en begon vervolgens met de bouw van het kasteel (voltooid in 1842) waarvan hij de uitvoering toevertrouwde aan de Franse architect Jean-Jacques Nicolas Arveuf-Fransquin en aan de Belg Jean-François Coppens.

Bovenop de top van de heuvel werd het met rode baksteen en lijnen natuursteen versierde kasteel opgericht in de destijds populaire Vlaamse neo-renaissancestijl. Vier torens en vier torentjes flankeerden het kasteel. Het moerassige terrein onderaan de heuvel werd omgevormd tot een vijver.

Van 1871 tot 1893 werd het domein eigendom van baron Antoine de Roest d'Alkemade die het uitbreidde naar het zuiden tot aan zijn huidige grenzen door weiden, de oevers van de Argentine en de vijvers van Nysdam aan te kopen.

In 1893 kocht de industrieel Ernest Solvay, oprichter van het internationale bedrijf Solvay & Co, het landgoed om er zijn zomerverblijf van te maken. Hij vertrouwt Victor Horta de zorg toe voor de binnenhuisinrichting van het kasteel. Vooraan werd een door een glazen luifel overkoepeld terras aangelegd met gietijzeren pijlers. Ernest Solvay liet het park heraanleggen en breidde het domein verder uit dat 490 hectare telde in 1920.

Bij leven liet Ernest Solvay zijn bezittingen na aan zijn kinderen. Het domein van Terhulpen werd verdeeld tussen zijn twee zonen. Edmond kreeg het noordelijke deel en de oudste zoon Armand het kasteel en het lager gelegen deel van het landgoed dat in zijn geheel het huidige domein Solvay vormt.

Armand Solvay en daarna zijn zoon Ernest-John deden belangrijke aanpassingen aan het domein die het zijn huidige vorm gaven.

De architect Georges Collin veranderde het kasteel aanzienlijk. De torentjes, het centrale torentje en de luifel verdwenen, de spitsen van de torens werden ingekort en de rode baksteen werd bedekt met een lichte laag.

Ernest-John liet een uitzichttoren bouwen waarnaar een trap van 140 treden leidde. Aan een zijde van het kasteel werd een Franse tuin gecreëerd. Tegenover de hoofdgevel gaf een rechtlijnige, met gras ingezaaide doorgang van 800 meter uit op een 36 meter hoge, met een gouden zon gekroonde obelisk. Hij liet exotische soorten planten die vandaag nog steeds te bewonderen zijn.

Uit bezorgdheid voor een toekomstige versnippering van het domein, liet hij het beschermen in 1963 en enkele jaren later, besliste hij het aan de Belgische staat te schenken op voorwaarde dat het in zijn geheel behouden werd en dat culturele manifestaties en ontmoetingen gepromoot werden.

Na de dood van Ernest-John in 1972 werd het prachtige landgoed van 227 ha toegankelijk voor het grote publiek.