In origine il castello era probabilmente costituito dalla sola torre centrale di avvistamento (puntone) a pianta pentagonale - realizzata in pietra disomogenea e coronata in precedenza da beccatelli - attorno alla quale si è sviluppata l’attuale struttura perimetrale caratterizzata dalla cortina muraria (che perfezionava e adeguava il sistema difensivo), le due torri circolari di diverso diametro agli angoli nord-ovest e sud-ovest e la torre prismatica a sud est. A nord-est sorgeva inoltre una quarta torre. Nel corso dei secoli sul sito furono costruite abitazioni addossate al castello, a tal punto da impedire il percorso intorno al mastio.
La cinta muraria è caratterizzata dal cosiddetto sistema “a sacco”: con paramento esterno in pietra appena sbozzata e malta di calce ed appena sbozzate; gli spigoli della struttura fortificata sono realizzati invece con conci squadrati. Nel complesso la fortezza si presenta compatta, priva di elementi decorativi, con piccole aperture costituite da feritoie ed archibugiere.
Sulla torre più alta erano conservati lo stemma angioino e quello della famiglia Cantelmo; altri, insieme ai portali, sono stati venduti, mentre tutto quanto impreziosiva l’interno è stato saccheggiato.
Negli anni Novanta la Soprintendenza per i Beni Architettonici dell'Aquila si è occupata dei lavori di consolidamento conservativo delle strutture murarie e di rifacimento degli interni, trasformando parzialmente il complesso in una struttura espositiva destinata ad ospitare mostre, esposizioni temporanee e concorsi fotografici.
Il castello di Pettorano fu uno dei presidi strategicamente più importanti della Valle Peligna, inserito nel più ampio complesso difensivo comprendente le fortificazioni circostanti di Popoli, Pacentro, Introdacqua, Bugnara ed Anversa degli Abruzzi; la famiglia Cantelmo, durante la sua lunga reggenza, spinta dall’esigenza di controllare il territorio, aveva intessuto una fitta rete di relazioni tra le stesse, permettendo una comunicazione anche visiva, benchè alcuni castelli fossero in linea d’aria molto distanti tra di loro.
In un documento risalente al 1093 e conservato nell’Archivio Capitolare di San Panfilo a Sulmona si legge di un primo nucleo fortificato (in castellu qui pectoraniu bocatur) ed è proprio in questo lasso di tempo (1021-1093) che è avvenuto l’incastellamento con la costruzione di strutture fortificate e la delimitazione di un territorio soggetto giuridicamente al castello stesso, inteso come insieme di uomini e interessi.
Documentato è anche il feudo di Oddo, figlio di Oddone di Pettorano (durante la dominazione normanna tra gli anni 1154-1161) e già allora il castello costituiva una realtà economica e politica consolidata; più tardi ebbe un ruolo strategico con Federico II di Svevia che attuò una politica di riconquista dei territori abruzzesi in seguito alle vicende oppressive degli Hohenstaufen. Fu però sul finire del XIII secolo, sotto la reggenza angioina di Amile d’Agoult (parente diretto di Carlo d’Angiò che ricevette la fortezza in seguito alle nozze nel 1290 con Giovanna, figlia di Odorisio del Ponte), che il castello assumerà maggiore importanza nell’ambito dello Stato feudale dei Cantelmo: una Margherita “de Agoto” portò in dote il castello a Restaino II Cantelmo e la famiglia detenne il controllo della fortezza fino alla metà del Settecento con il passaggio ai Tocco.
Nel 1806 furono aboliti i privilegi feudali ma soltanto nel 1977, dopo una serie di passaggi privati, fu ceduto a titolo gratuito al Comune di Pettorano.
