Die vor 1118 von den Herren von Hattenheim gegründete Burg gelangte nach deren Aussterben 1411 bis 1472 durch Erbgang an die Herren Langwerth von Simmern. Der bestehende Wohnturm entstand wahrscheinlich im 14. oder 15. Jh., während der Ursprung der Burganlage möglicherweise auf den frühen, auch im Rheingau vertretenen Typ der Niederungs-Turmburg zurückgeht. Baumaßnahmen der Zeit zwischen 1660 und 1689 waren die Errichtung eines hölzernen Treppenturmes an der Südseite des Wohnturmes, der Innenausbau des ersten und zweiten Obergeschosses, die Wiederherstellung der Küche an der Ostseite sowie der Bau eines Brauhauses und von Stallungen. Die Burg diente als Wohnung der Langwerth von Simmern bis 1711, als die Familie ihren Wohnsitz in den Stockheimer Hof in Eltville verlegte. Daraufhin verfielen die Gebäude. Nach Wiederherstellung wird die Burg durch den Hattenheimer Burgverein genutzt.

Das am Rand des Ortskernes gelegene Burgareal schließt sich nördlich an den Kirchhof an. In dem fast quadratischem Mauergeviert des inneren Burgbezirks nimmt der turmartige Wohnbau die Nordwestecke ein. An der Südwestecke die Ruine eines kleinen quadratischen Turmes mit Rechtecktür in gekehltem Gewände. An der Ostseite langgestrecktes flaches (neu überdecktes) Wirtschaftsgebäude, nach Süden Ruine eines eingeschossigen Wirtschaftsbaues. Reste der Ringmauer sind bis zur Wehrgangshöhe mit Konsolsteinen erhalten.

Der breitrechteckige Burgturm selbst ist ein viergeschossiger Wohnbau aus Bruchsteinmauerwerk mit gekuppelten (teils vermauerten) Fenstern, hohem Schieferwalmdach und nach Norden gerichtetem kleinen Zwerchhaus mit Treppengiebel, der in einem hohen Schornstein ausläuft. Frühere Wetterfahnen, bezeichnet 1584 und 1787, sind nicht mehr vorhanden. Eingang mit Rundbogenöffnung, im Scheitel ein Wappenschild. Daneben (veränderter) Kellerhals als Zugang zum Gewölbekeller. Im Erdgeschoss Reste eines gotischen Wandkamins. Im 1. Obergeschoss deuteten frühere Fassungsreste auf einen dekorativ ausgemalten Saal mit Kachelofen hin. Alte Geschossdecken fehlen; der Innenausbau mit neuen Balkendecken stammt aus jüngerer Zeit.

Der weitere Burgbezirk einschließlich Wohnhaus Burggraben 11 wird von einer im 19. Jh. erneuerten Bruchsteinmauer umgeben. Bei der Erneuerung des nördlichen Torbaus wurde ein zusätzlicher Scheitelstein mit Wappen angebracht sowie das Treppengiebelmotiv des Turmes wiederholt.

Die Hattenheimer Burg kann als authentisches Beispiel eines im Spätmittelalter verbreiteten Typs niederadliger dörflicher Wohnsitze gelten.