A Nógrád vármegyei Szécsényből származó Széchényi-család generációkon át szolgálta hazáját. A Széchényiek politikusként, államférfiként, főpapként és katonaként szereztek érdemeket, ennek elismeréseként kapták a grófi címet. Széchényi György kalocsai érsek alapozta meg a családi vagyont és váltotta meg a cenki területeket, amely neve szorosan összekapcsolódott a Széchényi-családdal.
A településen a főúri család rangjához méltó első építkezést 1750 körül Széchényi Antal generális kezdte meg barokk stílusban. Széchényi Antal unokaöccse és örököse, Széchényi Ferenc 1799-ben mértéktartó átalakításokat rendelt el. A legszembetűnőbb változás a homlokzaton volt tetten érhető, mely ekkor nyerte el ma is látható klasszicista arculatát. Ferenc a kastélyban helyezte el több tízezer darabos híres gyűjteményét, amely kéziratokból, ősnyomtatványokból, könyvekből, érmékből, metszetekből és térképekből állt. Gyűjteményeit a nemzetnek adományozta, megteremtve az Országos Széchényi Könyvtár és a Magyar Nemzeti Múzeum alapjait.
Gróf Széchenyi István európai utazásainak tapasztalatai nyomán újító szándékkal tekintett az otthonára, és az egész országra is. Szerteágazó nemzetépítő tevékenysége előtt már a kortársak is fejet hajtottak, Kossuth Lajos a ,,legnagyobb magyar”-nak nevezte. Széchenyi István életében meghatározó szerepet töltött be a nagycenki birtok, amelyet naplójában is gyakran megemlített. A megörökölt kastélyt külföldi mintára megújította és kibővítette. Az új épületrészekben a legújabb nyugati vívmányokat, fürdőszobát és vízöblítéses illemhelyet is létrehoztak, és a gázvilágítást is bevezették. A házavató ünnepségen részt vevő magas rangú vendégek közül többen elismerően szóltak a kastély tágas, romantikus hangulatú lakószárnyairól és a technikai újdonságokról. Széchenyi István a kastély felújítása mellett mintagazdaságot hozott létre a birtokon, és egy sor társadalmi-közéleti újítást indított útjára, melyek a falu életére is hatással voltak. A ménes kialakítása, a juhászat nagymértékű fejlesztése, a selyemhernyó-tenyésztés is ezen újítások közé tartozott.
A kastélyt Széchenyi István halála után idősebb fia, Béla örökölte, aki az épületen már csak kisebb átalakításokat végeztetett. Ebben az időben a kastély körül történt a legnagyobb változás, Széchényi Béla és felesége, Erdődy Hanna ugyanis számos növényritkaságot telepített a kastélykertbe. A község és a kastély 1945-ig maradt a Széchényi-család birtokában. A második világháború bombázásai az épületben súlyos károkat okoztak, a berendezés jelentős része elpusztult, a kastély az enyészet martaléka lett.
A kastély átfogó helyreállítását 1969-ben kezdték meg, a munkálatok befejezése után pedig, 1973-ban megnyitott a Széchenyi István Emlékmúzeum, mely 2014 óta az Eszterháza Kulturális, Kutató- és Fesztiválközpont tagintézménye.
A kastélyt körülvevő parkot és barokk franciakertet Széchényi Antal és felesége telepítette a 18. században. A franciakert meghatározó eleme a süllyesztett szökőkút, a geometrikus formákra nyírt növényzet és a sövénylabirintus. A birtok képét a későbbi örökösök, Ferenc, István és Béla is formálták. A 19. században a parkot angol ízlés szerint átalakították, ekkor ültették a kaliforniai óriásfenyőket és a platánfákat is. A mai arculat kialakítása Széchenyi Béla munkáját dicséri, aki különleges, amerikai és ázsiái örökzöldekkel díszítette a kertet. Ma a parkban negyven fajta fa több mint ezer példánya magaslik. A növényritkaságok mellett a Fertőig futó hársfasor teszi különlegessé a világörökség részét képező nagycenki kastély parkját.
A mauzóleum földszinti előcsarnokából nyílik az ovális alaprajzú barokk kápolna, amelynek mennyezeti freskóját a neves osztrák művész, Dorfmeister István festette. Innen nyílik a családi mauzóleum lejárata. A meghitt, barokk stílusú kriptát Széchényi Ferenc építette, hogy örököseivel holtuk után együtt nyugodhasson. A mauzóleumban az elmúlt évszázadokban negyvenhétcsaládtag temetkezett, többek között Ferenc és fia, István. A Széchényiek sírhelye nemcsak napjainkban, de a 20. században is nemzeti zarándokhely volt. Jászai Mari, az egyik legnagyobb magyar tragika több alkalommal is ellátogatott ide.
