Η σύγχρονη κωμόπολη του Καστελλίου είναι οικοδομημένη πάνω σε ένα διευρυμένο Μινωικό οικισμό, όπως αποκάλυψαν και σωστικές ανασκαφές σε διάφορα σημεία της περιοχής.
Ο οικισμός φαίνεται να καταλαμβάνει μια έκταση των 100 στρεμμάτων και να εμπεριέχει το χαμηλό λόφο του Καστελλίου και τις πλαγιές του.
Η κεραμική και τα λίθινα εργαλεία μαρτυρούν την κατοίκηση της περιοχής από την νεολιθική περίοδο, δηλαδή μεταξύ 3000 - 2000 π.Χ.. Εντύπωση, ωστόσο προκαλεί πως τα, τα αρχαιότερα αρχιτεκτονικά λείψανα που εντοπίστηκαν χρονολογούνται πολύ αργότερα στην παλαιοανακτορική περίοδο (2000 – 1800π.Χ.), την εποχή που η περιοχή του Καστελλίου γνώρισε τεράστια άνθηση, με απόδειξη τα αξιόλογα αγγεία που βρέθηκαν σε λαξευμένη στο βράχο κρύπτη στο χώρο του γυμνασίου. Δυστυχώς, το τέλος της εποχής προήλθε από μια πυρκαγιά η οποία κατέστρεψε ολοσχερώς τον οικισμό, ενώ μάλιστα “θύμα” αποτέλεσε και η κεντρική Κρήτη. Σήμερα από την αρχαία αυτή φάση του Καστελλίου ορατό γίνεται μόνο ένα τμήμα, το οποίο βρίσκεται σε κοντινή απόσταση βόρεια του κοιμητηριακού ναού, Αγίου Γεωργίου, στο βορειοανατολικό τμήμα του Καστελλίου.
Τα περισσότερα αρχαιότερα κτήρια ισοπεδώθηκαν για την δημιουργία νεότερων κατά την διάρκεια της νεοανακτορικής περιόδου (1700 – 1650π.Χ.). Στην κορυφή του λόφου ανεγέρθηκε ένα εντυπωσιακό οικοδόμημα επιμελημένης κατασκευής, πιθανόν με λατρευτική χρήση, το οποίο συνδεόταν άμεσα με το ανατολικό τμήμα του οικισμού, μέσω μιας ευρείας οδού. Ο οικισμός θα δεχτεί την πλήρη καταστροφή και εγκατάλειψη στο τέλος αυτής της περιόδου, ενώ αργότερα κατά την διάρκεια της Μετανακτορικής περιόδου (1420 -1050π.Χ), θα κατοικηθεί ένα μέρος του όμως και αυτό στο τέλος της περιόδου θα εγκαταλειφθεί.
Η καταστροφή των τελευταίων μινωικών κτηρίων του Καστελλίου έγινε κατά την επανακατοίκηση του χώρου στα ελληνιστικά χρόνια και κυρίως κατά την Υστεροβυζαντινή και την Ενετική περίοδο, με την ανέγερση οχυρωματικών κτηρίων και άλλων οικοδομημάτων.
