Bereits vor dem Bau des heute sichtbaren Wehrturms gab es auf dem Hügel südlich von Wülflingen eine Wohnanlage mit Wehrbauten. Die genaue Form dieser Anlage ist heute nicht mehr feststellbar. Im 11. Jahrhundert war die Burg im Besitz von Willebirg von Wülflingen. Über ihre Tochter Adelheid gelangte sie in den Besitz des süddeutschen Adligen Kuno von Achalm, der seine Residenz auf die Burg verlegte und sich fortan Kuno von Wülflingen nannte. Urkundlich ist nachgewiesen, dass Kaiser Heinrich III. im Jahr 1056 seinen Onkel, den Bischof Gebhard III. von Regensburg in der Burg gefangen hielt, weil dieser in ein Mordkomplott gegen ihn verwickelt war.
Ab den 1230er-Jahren war die Burg in habsburgischem Besitz. Die Habsburger besetzten sie durch Dienstleute, was dazu führte, dass verschiedenste Ministerialengeschlechter nacheinander die Burg bewohnten.
Zwischen 1230 und 1260 wurde der Wehrturm gebaut. Dank der guten Lage auf dem steilen Hügel über der Töss, der im Mittelalter wahrscheinlich noch nicht bewaldet war, brauchte man zur Verteidigung der Anlage keine Schutzgräben. Das Tor in der Nordwand befand sich 9 Meter über dem Boden und war über eine Aussentreppe mit Laube zugänglich.
Im 14. und 15. Jahrhundert wurden Wohnbauten an den Wehrturm angefügt. Östlich des Turms sind heute noch Fragmente davon erhalten und in der Turmmauer sind Vertiefungen für die Balken sichtbar. Der Fischweiher, den Ritter Heinrich von Rümlang 1488 bei der Burg anlegte, ist heute nicht mehr sichtbar. Der befestigte Burghof diente auch als Fluchtburg.
Ab 1461 hatte die Stadt Zürich die Steuer- und Militärhoheit über Wülflingen. Im Jahr 1528 übernahm die Gemeinde Wülflingen die Herrschaft über die Burg, hatte jedoch kein Interesse daran, das Gebiet selbst zu verwalten. Deshalb verkaufte sie die Gerichtsherrlichkeit an Hans Steiner von Zug, der bereits die Herrschaft Pfungen besass.
1634 wollte die Stadt Winterthur Wülflingen kaufen, aber der Zürcher Rat wollte ein zu mächtiges Winterthur verhindern und verkaufte die Herrschaft samt der Burg an Hans Hartmann Escher. Dieser liess das Schloss Neu-Wülflingen bauen und verlegte 1678 seinen Wohnsitz dorthin. Für den Neubau des Schlosses verwendete er Materialien der Burg.
Der Turm der Burg Alt-Wülflingen diente bis ins 18. Jahrhundert noch als Gefängnis mit Richtkammer und Folterwerkzeugen, bevor er ganz aufgegeben wurde.
