Nach dem 1961 erfolgten Verkauf des Schlosses an die Stadt Wolfsburg erfolgten über Jahre hinweg Renovierungen an den verschiedenen Schlossflügeln. Seit 1959 dient es künstlerischen, kulturellen und repräsentativen Zwecken. Darunter zeitweise der Künstlergruppe „Schloßstraße 8“ – die Adresse des Schlosses, zu der unter anderem die Künstler Paul-Kurt Bartzsch, Dorothea Chabert, Gustav Kurt Beck, Heinrich Heidersberger, Hans Hirschler, Rudolf Mauke und Peter Szaif gehörten. 1961 wurde eine Druckwerkstatt für Künstler eingerichtet. 1966/67 wurden der Gartensaal, die Gerichtslaube und das Kaminzimmer fertiggestellt.
Seit 1967 stellt der Kunstverein Wolfsburg zeitgenössische Kunst im Schloss aus. Am 20. Oktober 1974 wurde die Städtische Galerie eröffnet. Am 12. Oktober 1980 wurde im Keller des Ostflügels das Heimatmuseum (heute Stadtmuseum) eröffnet, es befand sich zuvor in der Goetheschule in der Stadtmitte. 2000 zog es an seinen heutigen Standort in die Remise, im Oktober desselben Jahres wurde ebenfalls in der Schlossremise die gleichnamige Gaststätte eröffnet.
Nach der Fassadensanierung des Nordflügels erscheint dieser nun weiß, während die übrige Schlossfassade die braune Naturfarbe der Bruchsteine aufweist bzw. eine hellbraune Farbe nach einer früheren Sanierung. Zur Sanierung wurde Kalkschlämme aufgetragen, die Fensterrahmen wurden anthrazitfarben gestrichen. Diese Färbung soll dem früheren Zustand des Schlosses nahekommen.
In der Anfangszeit um 1300 bestand die Wolfsburg nur aus einem steinernen Wohnturm an der Aller, dessen Vorläufer ein hölzerner Wachturm im Baustil einer Niederungs-Motte gewesen sein könnte. Der heute etwa 23 m hohe Turm, später als Bergfried bezeichnet, ist der älteste erhalten gebliebene Teil der heutigen Anlage. Zugänglich war er auf halber Höhe mit einer hölzernen Treppe oder Leiter, die man bei feindlichen Angriffen hochziehen konnte. Anfänglich dürfte es der Wohnturm der von Bartensleben gewesen sein. Dauerhaft war er den adligen Wohn- sowie Wirtschaftsbedürfnissen nicht gerecht und in der Folge errichtete man weitere Gebäude und Befestigungsanlagen. Innerhalb der späteren Burganlage diente der Bergfried als Verlies und Gefängnis.
Wegen ihrer Lage in der Allerniederung war die Burg wahrscheinlich schon zur Anfangszeit von Wasser umgeben. Bis ins 19. Jahrhundert schützten sie zwei Wassergräben, die von der nahe liegenden Aller und dem Hasselbach gespeist wurden. Der innere Wassergraben umschloss unmittelbar die Burg, was sie in Verbindung mit Zugbrücken zu einer Wasserburg machte. Um das Jahr 2002 wurde der innere, im 19. Jahrhundert verfüllte Wassergraben an mehreren Stellen archäologisch untersucht. Es fanden sich Reste der Einfassungsmauer des Grabens bis zu einer Tiefe von 2,6 Meter. Nach den Untersuchungen wurden die Mauer und der Graben an der Oberfläche durch Pflasterungen und Schotter dargestellt, so dass der frühere Grabenverlauf rings um das Schloss optisch sichtbar ist. Außerdem blieb der Wassergraben im Bereich einer Mauerecke in einer Größe von 3,5 × 3,5 Meter offen stehen und wurde mit einer begehbaren Glasfläche überdacht.
Der äußere Wassergraben umschloss die größere Vorburg als Zufluchtsstätte für die Untertanen im Kriegsfall. Der frühere Graben ist heute noch als flache Mulde zu erkennen. Zusätzlich war dieser Bereich von einem Mauerring mit Verteidigungsrondellen abgesichert, an den später Wirtschaftsgebäude und Ställe, die heutigen Remisen, angebaut wurden. Untersuchungen in heutiger Zeit ergaben, dass die Burg nicht wie vermutet, auf Holzpfählen in moorigem Boden gegründet ist. Größtenteils steht sie auf sandigem Untergrund und lagert nur in Teilbereichen auf Eichenpfählen.