Le château des Allymes témoigne de la grande guerre que se livrèrent les comtés de Savoie et de Dauphiné dans la région pendant près de deux siècles (1144-1355). Son édification est initiée par le dauphin du Viennois en 1306 pour répondre à une construction savoyarde bâtie dès 1305 sur le mont Luisandre, à moins d'un kilomètre (aujourd'hui en ruine). Les deux places fortes surveillaient et se disputaient le col de Brey-de-Vent, voie de passage majeure pendant trente ans entre Bresse et Bugey pour la Savoie. Une courte période de paix de cinq ans permettra de transformer ces défenses hâtives de terre et de bois en fortifications de pierre. La bâtie des Allymes se constituait alors d'une haute-cour de pierre dont l'entrée est surplombée par une haute tour massive. Cet ensemble s'agrandira d'une basse-cour, partiellement en pierre. Les comptes de construction, permettent de situer entre 1315 et 1318 l’époque du remplacement de la bâtie des Allymes par un château de pierre.

Le château des Allymes n’est resté sous domination dauphinoise qu’une vingtaine d’années, mais il joue à cette époque un rôle stratégique de premier plan. Il est situé en bordure de la plaine d’Ambronay, très convoitée en raison des puissantes possessions de l’abbaye. Progressivement, le comte de Savoie gagne du terrain et s’empare en 1321 du château de Saint-Germain-d’Ambérieu et son bourg. L’étau se resserre autour des Allymes, l’un des derniers bastions dauphinois sur la rive droite de l’Albarine. Il bascule finalement dans les possessions savoyardes en 1335.

Avec la paix de 1355 (traité de Paris), la fortification perd tout intérêt. Le comte Amédée VII le remet en fief à l’un de ses vassaux, Nicod François. Un corps de logis est accolé au donjon dans la cour intérieure tandis qu'une seconde tour cicrulaire est bâtie à l'angle nord-est. Un escalier à vis dessert les deux étages résidentiels du logis et des fenêtres à meneaux sont pratiquées dans les tours. 

Le château devient dès 1477 la propriété de la famille de Lucinge. René de Lucinge, ambassadeur du duc de Savoie, y trouve refuge au lendemain du traité de Lyon (1601). La signature du traité avait provoqué une profonde discorde entre Charles-Emmanuel et son ambassadeur auquel il reprochait de ne pas avoir défendu sa cause lors des négociations. René de Lucinge, retiré aux Allymes, désormais en terre de France, prête hommage au Roi de France et refuse de revenir sur les terres savoyardes malgré l’insistance menaçante du duc.

Le château, en partie ruiné et rendu inhabitable à l’époque révolutionnaire, fait l’objet d’une première restauration au 19e siècle. Il est classé au titre des Monuments historiques en 1960.
D’importants travaux de restauration sont exécutés en 1964, en 1977 et se poursuivent en 1998. Dans le même temps, les fouilles archéologiques permettent de rendre au château des éléments d'architecture, comme la barbacane qui commandait l'entrée.

Le château des Allymes est une des rares fortifications dont on peut effectuer le tour complet par le chemin de ronde, assurant un coup d'œil spectaculaire sur les forêts environnantes et portant le regard très loin sur les plaines de Dombes et de Bresse. Aujourd'hui, propriété de la ville d'Ambérieu-en-Bugey, il est ouvert au public par l'Association des Amis du château des Allymes et de René de Lucinge, créée en 1960 par Suzanne Tenand-Ulmann (1909-2005).

Le château des Allymes connaît un grand chantier de restauration entre 2017 et 2020.

Les travaux sont l’occasion de porter un nouveau regard sur cet édifice qui avait connu quelques campagnes de fouilles archéologiques dans les années 1960 et 1970. Pourtant, le bâtiment en lui-même n’avait jamais fait l’objet d’une étude approfondie.

Une étude archéologique du bâti réalisée par Laurent D'Agostino (Atelier d'Archéologie Alpine) permet de rétablir cette lacune à l’occasion des travaux. Parallèlement au travail des maçons et des charpentiers, des archéologues se sont penchés sur la construction et l’évolution de cet édifice austère qui marque le paysage du rebord de la plaine de l’Ain de sa haute silhouette.