Nagycenk zálogjogon jutott a Draskovichoktól Széchényi VII. György kalocsai érsek birtokába, aki a birtokot Lőrinc öccsének engedte át. Lőrinc fia, György 1697-ben grófi címet szerzett, és 1711-ben örökjogon megváltotta a birtokot, amit az érsek végrendelete értelmében csak a család férfi tagjai örökölhettek. Az uradalom központja ekkor Széplak volt.
A kastély építése

Gróf Széchényi Antal generális 1741-ben helyezte át székhelyét Nagycenkre, ahol nagyjából 1750-re készült el a kastélyegyüttes és a franciakert. Az eredeti terveket Franz Anton Pilgram készítette, és bár ezt később elvetették, a koncepció egyes részeit felhasználták – miként a korábban itt állt majorház falait is. Széchényi Antal utóda fia, a Nemzeti Múzeumot alapító Széchényi Ferenc (1754–1820) lett. Ő Festetics Juliannát, a keszthelyi Georgikon alapítójának testvérét vette feleségül. 1783-ban költözött a kastélyba, ahol értékes műgyűjteményt és könyvtárat hozott létre. A gyűjteményt 1802-ben felajánlotta az államnak, és ezzel ő lett nemcsak a Nemzeti Múzeum, de közvetetve az Országos Széchényi Könyvtár alapítója is. 1791-ben Hefele Menyhérttel terveket készíttetett az épületegyüttes bővítésére. Az építész kétemeletessé változtatta volna a kastélyt, a gróf azonban elállt a nagyszabású és drága tervtől, az átépítést pedig Ringer Józsefre. Ő 1800-ra készült el a munkával, amelyben az eredeti tervből csak egyes elemeket használt fel. Széchényi Ferenc végrendeletében megosztotta birtokait két fia között: Nagycenk és Kiscenk Széchenyi Istvánnak jutott.
Széchenyi István külföldön szerzett tapasztalatait felhasználva mintagazdaságot hozott létre az 1820-ban átvett birtokon. A kastélyt 1834–1840 között Hild Ferdinánd soproni építésszel átépíttette. A korban még ritka fürdőszobákat és a vízöblítéses vécét őszintén megcsodálta az az országgyűlési követség (Deák Ferenc, Eötvös József, Klauzál Gábor és mások), amely 1840. augusztus 20-án a kastélyban köszöntötte föl neve napján a grófot, aki még Döblingből is adott utasításokat a kastély és a park gondozására. Az épület 1860 (Széchenyi halálának éve) táján nyerte el végleges formáját.
A következő birtokos, Széchenyi Béla (Széchenyi István fia) az angolparkot dendrológiai kertté formálta.