De naam duikt voor het eerst op in een document uit 1146 waarin de vrije edelman (Edelfrei) Helenger van Frankenstein wordt genoemd. Maar het begin van het kasteel wordt verondersteld van een eerdere datum te zijn, omdat de oprichting van een verdedigingstoren rond 1100 in verschillende documenten wordt gemeld.
De toren behoorde toe aan de nabijgelegen abdij van Limburg die belast was met de veiligheid op de weg naar Speyer, Dürkheim en Worms. In 1205 gaf het klooster de graven van Leiningen opdracht deze taak uit te voeren. De graven lieten de toren in het begin van de 13e eeuw tot kasteel uitbreiden.
Van 1204 tot 1231 worden in documenten de ridders Marquard, Friedrich en Helenger von Frankenstein genoemd als bestuurders die de leiding hadden over het kasteel. Rond 1390 werd kasteel Frankenstein een gemeenschappelijk erfgoed toen de abdij van Limburg de helft van het kasteel verpandde aan de heren van Einselthum. Een deel van deze verpanding werd in het begin van de 15. eeuw door de graven van Nassau -Saarbrücken en Leiningen-Hardenburg overgenomen.
In de tweede helft van de 15. eeuw werd het kasteel beschadigd in de strijd tussen keurvorst Frederik I en graaf Palts Ludwig I van Zweibrücken. Het kasteel liep nog meer schade op, vermoedelijk in 1512, toen de graaf van Nassau het veroverde op bevel van keizer Maximiliaan I. Tijdens de Duitse Boerenoorlog werd het kasteel verwoest en vanaf 1560 als onbewoonbaar beschouwd. Niettemin diende het voor militaire doeleinden vanwege zijn strategische positie.
In de Dertigjarige Oorlog veroverde de Spaanse generaal Ambrosio Spinola het kasteel. In de Spaanse Successieoorlog werd het gebruikt om Franse troepen te huisvesten. Het is bevestigd dat deze troepen in 1703 nog gebruik maakten van de slotkapel voor de mis.
In 1706 nam de keurvorstelijke palts bezit van het Nassau-Saarbrücken-aandeel van de burcht.
Nadat de palts deel was gaan uitmaken van Beieren, werd de ruïne van de burcht in 1883-84 veiliggesteld. Een andere opwaardering vond plaats in 1938-39.
Heden ten dage is het kasteel eigendom van de deelstaat Rijnland-Palts. In de jaren 1970 en 1980 werden enkele delen van het kasteel gerestaureerd en werden fundamenten van een tot dan toe onbekende schildmuur opgegraven.