L'Archivio di Castello (o Archivum Arcis) è stato costituito dal pontefice Sisto IV (1471-1484), unendo a un nucleo documentario verosimilmente già presente in Castel Sant'Angelo altri gruppi di documenti della Sede Apostolica di diversa provenienza. Il materiale, sistemato in sacculi, cresce nel corso del Cinquecento principalmente con scritture contemporanee, ma anche con documenti dei secoli anteriori.
È tra la fine del Cinquecento e la prima metà del Seicento che l'Archivio di Castello assume le caratteristiche che ancora oggi conserva, grazie all'opera di coloro che ne ebbero la custodia. Il primo archivista a risistemare il fondo è Domenico Rainaldi, il quale a partire dall'ultimo decennio del XVI secolo riordina la distribuzione delle scritture, trasferendole dai sacculi in cui erano rimaste fino allora collocate, in armadi e, all'interno di questi, in cassette. A lui seguono Silvio de' Paoli, Giovanni Battista Confalonieri e Carlo Cartari, che entro la metà del Seicento perfezionano la collocazione e l'inventariazione del materiale, nel frattempo arricchitosi di nuove accessioni.
A metà del XVII secolo il fondo raggiunge la consistenza attuale e viene dotato di un gruppo di inventari che permette ai suoi custodi di muoversi abbastanza agevolmente al suo interno. Inoltre i diari lasciati dagli archivisti - oltre quanto sopravvive della loro corrispondenza - consentono di seguire gli arrivi di nuovi nuclei documentari: è in quest'epoca che, ad esempio, sono incamerate scritture prevalentemente del Duecento provenienti dalla cattedrale di Anagni, e anche singoli pezzi già in archivi di istituzioni ecclesiastiche e monastiche dell'Italia centrale e meridionale; agli inizi del Seicento giungono a Roma dal monastero di Santo Spirito della Maiella i documenti relativi all'elezione a pontefice dell'eremita Pietro del Morrone. Dopo il lavoro di sistemazione seicentesco il fondo resta per la parte antica pressoché invariato.
Inserito alla fine del Settecento nell'Archivio Segreto Vaticano, trasferito con quest'ultimo a Parigi nel periodo napoleonico, tornato a Roma con la Restaurazione, resta accessibile quasi soltanto agli archivisti, fino all'apertura agli studiosi dell'Archivio Segreto Vaticano decisa da Leone XIII nel 1881. Proprio in seguito a tale evento deve esser emerso come gli inventari a disposizione dei ricercatori fossero ormai del tutto inadeguati e quindi all'inizio del Novecento risale un grande lavoro di riordinamento archivistico del materiale, con il superamento della sistemazione per armaria e capse.
Il risultato è il gruppo di inventari segnati tra gli"Indici" dell'Archivio Segreto Vaticano con i numeri dal 1002 al 1012, che forniscono il regesto di ogni singolo documento, oltre ad annotazioni sulle materie scrittorie e sui sigilli. A questo strumento si è affiancato in tempi recenti uno schedario delle pergamene.