L’existence de Château d’Armailhac remonte à la fin du XVIIe siècle, comme l’atteste un « terrier », un registre communal, de 1680, qui mentionne les frères Dominique et Guilhem Armailhacq, propriétaires de parcelles à Pauillac. Un autre « terrier » de 1750 rapporte que leurs descendants ont « complanté en vignes » le domaine familial, sur 15 à 16 hectares.

À la fin du XVIIIe siècle, la superficie du vignoble atteint 52 hectares, mais les courtiers de l’époque estiment que le vin qui en est issu « pèche par sa maigreur ». Tout au long du siècle suivant, les propriétaires de Mouton d’Armailhacq n’ont donc de cesse d’améliorer sa qualité par l’ouillage, le soutirage, l’aseptisation des barriques et le collage. Ces efforts portent leurs fruits dès 1831, lorsque les vins de Mouton d’Armailhacq se vendent deux fois plus cher que les productions voisines, pourtant mieux cotées. Suprême récompense, Château Mouton d’Armailhacq est désigné comme « Cinquième Cru » dans le Grand Classement de 1855 – le même qui consacre Château Mouton Rothschild « Premier des Seconds ». Le « premier vin », seul habilité à porter le nom du cru, se distingue du « second vin », moins riche et réservé à la consommation des tavernes locales.

En 1931, le jeune baron Philippe de Rothschild devient actionnaire minoritaire de la Société Anonyme du Domaine de Mouton d’Armailhacq, puis il rachète en viager la totalité des parts en 1933. Un an plus tard, à la mort du Comte de Ferrand, il devient le propriétaire effectif du domaine. Dans la corbeille de Mouton d’Armailhacq se trouvait aussi la Société Vinicole de Pauillac, ancêtre de l’actuelle Baron Philippe de Rothschild S.A.

Désormais inséparable de Château Mouton Rothschild, Château Mouton d’Armailhacq accueille dans ses vastes dépendances les équipements techniques et agricoles nécessaires aux deux châteaux. De 1956 à 1988, il porte le nom de Mouton Baron Philippe, puis celui de Mouton Baronne Philippe. Cinquième Cru à la qualité reconnue, il a retrouvé pour partie en 1989 son identité d’origine, Château d’Armailhac.