El castillo de Peñaranda es una gran fortaleza que domina de forma clara el caserío. Aunque las primeras defensas de Peñaranda pudieron ser levantadas de forma simultánea a su repoblación, la mayoría de lo actualmente conservado debe atribuirse al primer conde de Miranda, entre mediados y finales del siglo XV. Presenta una gran similitud con otros castillos de la comarca ribereña, como los de Peñafiel y Gormaz, y también repite el ventajoso emplazamiento entre un monte y un río, como se observa en Burgos, Frías o Castrojeriz. Su planta alargada y quebrada se adapta de forma perfecta al escarpado roquedo sobre el que se asienta, la famosa Peña de Aranda, ocupando aproximadamente la mitad occidental de la misma. La puerta de acceso se halla al Este, separada del resto por un foso excavado en la roca viva.

Se cree que en este lugar pudo hallarse el castillo primitivo, entre otras razones porque, junto a los cubos que defienden la entrada, se encuentra otro más pequeño y macizo adosado al Sur con una función no muy clara. Antiguamente, el foso se salvaba por un puente levadizo y se pasaba al interior a través de una pequeña puerta de arco ojival.

En el conjunto fortificado, destaca la céntrica y sólida torre del homenaje, de finales del siglo XV. Consta de planta baja y tres pisos. En la actualidad, su acceso se realiza por el Este a través de un arco ojival situado en el primer piso, al que se llega mediante una escalera metálica de reciente factura. Los paramentos son ciegos, a excepción del lienzo que mira a Peñaranda, en el que aparece en altura un ajimez, dos en la segunda planta y un pequeño vano en la última. La torre se remata con el almenado. La solidez, proporción y esbeltez de la misma la convierten en una de las más equilibradas y airosas de la provincia de Burgos. En toda la construcción predomina la mampostería, a excepción de los ángulos y coronamiento de la torre y las dovelas de las puertas, que son de buena sillería.

En el siglo XVII, la fortaleza debía estar deshabitada y prácticamente inservible, lo que aconsejaba a su propietario, el conde de Miranda, la utilización del palacio que poseía en la villa como depósito de armamento. A pesar de este posible abandono, su monumentalidad y calidad constructiva le permitieron llegar al siglo XX con el suficiente vigor y presencia como para ser considerado uno de los castillos más impresionantes de la provincia de Burgos, lo que le granjeó la declaración de monumento histórico-artístico en 1931.

En el interior de la torre del Homenaje se ha instalado el Centro de Interpretación de los Castillos.

Desde la azotea se aprecia  la configuración urbanística de Peñaranda en la época de referencia en relación a los aspectos sociopolíticos (trazados, defensas, representación arquitectónica del poder y la justicia, el mundo extramuros).

Este espacio servirá también para observar otras fortificaciones cercanas a esta población.