La forma mammillare del colle su cui venne edificato è all’origine del nome dato al castello, che si trasmise dapprima alla circoscrizione amministrativa nel quale insisteva e che, ancora oggi, distingue questa fertile porzione di territorio.

Il Castello subì nei secoli diverse dominazioni: nel 1409, in seguito alla famosa battaglia di Sanluri, svoltasi in località "Bruncu de Sa Battalla", che si concluse con la sconfitta degli arbonensi, il Castello de Marmilla, fu infeudato dall'Iberico Pietro de Besalù per essere acquistato, nel 1541, dall'aragonose Açor Zapata, con un atto di investitura firmato da Carlo V, Imperatore e Re di Sardegna.

L'edificio costruito su un basamento roccioso adeguatamente regolarizzato, ha una pianta esagonale irregolare, allungata lungo l’asse nord-ovest sud-est, e sfrutta interamente lo spazio sommitale.
L’analisi delle murature e i risultati dello scavo archeologico, uniti ai documenti d’archivio che citano il Castrum Mamillae, riportano le origini all’XI secolo: la prima citazione è della fine del XII secolo e da questo momento, fino alla conclusione della guerra sardo-catalana e all’acquisizione dei diritti del Regno arborense da parte della Corona d’Aragona (1420), il castello ha vissuto da protagonista tutte le fasi del medioevo sardo. La presenza di documenti archeologici piuttosto tardi rimanda a un utilizzo, seppur parziale, di alcuni ambienti ancora in età moderna, durante i tempi della Sardegna feudale (XV-XVI secolo), quando il castello fu parte integrante dei possessi della Baronia di Las Plassas e fu utilizzato come carcere mandamentale fino all’Ottocento.
Attualmente sono visibili la torre maestra e le murature, perimetrali e interne che, seppur interessate da un degrado profondo, consentono di osservare le tecniche costruttive e le scelte adottate nei continui rifacimenti, nei restauri e nelle opere di potenziamento. È anche visibile l’articolazione degli ambienti interni: quelli dove soggiornava la guarnigione, i magazzini e i depositi, la corte d’armi, l’ingresso protetto dal punto di guardia e la grande cisterna interrata, che insieme a una seconda cisterna, localizzata a ridosso del muro perimetrale nordoccidentale, costituiva la preziosa riserva d’acqua.
Alla definizione della planimetria si aggiungono i tantissimi reperti, prevalentemente ceramici, ma anche metallici, i vetri, i tanti resti di pasto, che ci danno un quadro esaustivo sulla vita quotidiana della guarnigione in una fortificazione di frontiera quale era il Castrum Mamillae.

Nel 2001 il  Castello è stato oggetto di importanti  interventi di ristrutturazione e consolidamento, nonchè  di scavi archeologici. Successivamente nel 2007 sono stati avviati ulteriori scavi negli ambienti interni della struttura.