戰國時期沼田氏從屬上杉家，該城從屬上杉家支配。上杉謙信去世後該城被後北條氏攻取。甲越同盟成立後，按照武田勝賴的命令，當時從屬武田氏的真田昌幸受命攻打該城。由昌幸的叔父矢澤賴綱以計策無血開城奪取。武田滅亡後，該城屬獨立的真田家支配。
之後德川、後北條兩家為該城的支配權多次於真田家作戰，均敗北。
1589年，在豐臣秀吉的裁定下，該城再次屬於後北條氏，由豬股邦憲為城代。同年，後北條氏違反惣無事令，豬股邦憲攻取了真田氏的名胡桃城，引發小田原討伐戰。
1590年，小田原戰後，後北條氏滅亡，該城再次從屬於真田氏，真田昌幸長男真田信幸支配該城。真田信幸入城後對城郭進行了修整。
1600年，關原之戰，由於真田信幸從屬東軍獲得戰功，得到父親的封地，與沼田城合併9萬5千石上田藩立藩（真田信幸依舊以沼田城為居城）。
1615年，大阪夏之陣期間，真田信之（信幸）將本據移動到上田城，沼田則交由長男信吉支配。
1622年，信之移封信濃松代13萬石，沼田領地依舊作為真田家分領存在。
1638年，信吉去世，嫡子熊之助也很快去世。沼田由信之次子信利繼承。
1658年，本家家督信政去世，家中為繼承權引發騷動，結局為騷動主角之一的信利實際上從本家獨立，沼田藩成立。
1662年，檢地，實際石高為3萬（一說6萬），卻向幕府申報為14萬4000石，領民深受苛稅之苦。後因信利的暴政，幕府以調達江戶建橋木材遲緩為故改易。後為天領，城逐漸廢棄，護城河被掩埋。之後本多、黑田（譜代）、土崎氏相繼入城立藩，直到幕末。
