1138 wird Heinrich II. von K., Halbbruder des Pfalzgrafen Hermann von Stahleck, der wiederum mit dem staufischen Königshaus durch Heirat eng verwandt war, in den Grafenstand erhoben. Zugleich kam Hermann II. selbst durch Heirat in den Besitz der Grafschaft im Kraichgau südlich des Neckars. Es folgt ein rascher Aufstieg der Familie in weltliche und geistliche Positionen.
1160 erwarben sie erhebliche Teile im Einrichgau aus dem Erbe der Arnsteiner Grafen (siehe dort).
Ab 1190 erhielten die Grafen von Katzenelnbogen die Schirmvogtei über das Prümer Chorherrenstift in St. Goar sowie die Lehnsherrschaft über die Stadt mitsamt der lukrativen Zollstätte. Nach 1190 wurde die Herrschaft zügig ausgebaut, es kam zur Errichtung mehrerer wichtiger und auch kulturhistorisch bedeutsamer Burgen, die das Territorium nach innen festigen bzw. an seinen Grenzen sichern sollten.

So wurde im 13. Jh. im aufgrund des Rheinzolls besonders wichtigen St. Goar die Burg Rheinfels erbaut, die bald die Hauptresidenz werden sollte. Aber auch die Burgen Hohenstein/Taunus (um 1190), Reichenberg (ab 1319, siehe dort) und Schwalbach (1368-71) wurden Residenzorte der Katzenelnboger, während Neukatzenelnbogen (um 1371) zur weiteren Sicherung der Besitzungen am Mittelrhein diente. Auch hatten sie seit Anfang des 13. Jh.s erhebliche Besitzungen südlich des Mains im Raum Darmstadt und im Odenwald (Obergrafschaft) inne.
Um 1260 spalteten sich die Katzenelnboger anlässlich einer Erbteilung in eine ältere (Diether V.) und jüngere (Eberhardt I.) Linie.
1312 erhielten sie das Stadtrecht für den Ort Katzenelnbogen, der 1326-1350 mitsamt der Burg nassauisch, dann wieder katzenelnbogisch wurde.
Nach dem Aussterben der Grafen von Katzenelnbogen im Jahre 1479 kamen Ort und Burg zusammen mit den größten Teilen der ehemaligen Grafschaft Katzenelnbogen an Hessen.
Nachdem die Burg 1540 abgebrannt war, wurden 1584 und 1613 Neubauten errichtet, die das Erscheinungsbild der alten Stammburg erheblich verunklarten.