Alors que Montfermeil n'est encore qu'un bourg médiéval, une léproserie est construite sur les terres appartenant à Jean Deslyons. Par déformation, le domaine devient le fief des lions. La léproserie se situe approximativement sur l'emplacement de l'actuelle rue de la Fontaine-Jean-Valjean. Au XVIIe siècle, les nouveaux propriétaires du domaine, la famille Bourlon, remplacent la léproserie par un château.
C'est en 1635 que Nicolas Bourlon, bourgeois de Paris, et ses fils, Jean-Nicolas et Matthieu, tous deux conseillers à la Chambre des Comptes, attachent leur nom pour la postérité à la maison qu'ils font édifier à Montfermeil. En 1700, Michel de Chamillard (1652-1721), Intendant des Finances et protégé de Madame de Maintenon, seigneur de Montfermeil, entre en possession des bâtiments qu'il réunit au château du fief dont il est le propriétaire. En opposition à son voisin seigneurial, la maison Bourlon devient le Petit château. L'année suivante, l'ensemble du domaine est acquis par les frères Michel et François Bégon, grands fonctionnaires maritimes et coloniaux. En 1707, ils louent le Petit château à Jacques Le Carlier, le futur marquis de Marigny. La fille de ce dernier épouse en 1715 François Poisson qui sera, en secondes noces, le père de celle qui deviendra la marquise de Pompadour.
En 1742, Jean Hyacinthe II Hocquart, Trésorier de la marine puis Fermier général, seigneur de Montfermeil et propriétaire du grand château depuis 1735, réunit à nouveau les deux domaines. Désormais, comme le grand, le Petit château appartient au domaine érigé en marquisat et son propriétaire devient le premier marquis de Montfermeil, de Coubron et de Gagny. Une partie de la famille Hocquart occupe également, au milieu du XVIIIe siècle, le château de Montguichet à Gagny. Après avoir été confisqué comme bien national lors de la Révolution française, Madame Hocquart, qui a déjà racheté le grand château en 1804, acquiert la maison des Bourlon en 1815, réunissant ainsi à nouveau l'ensemble du domaine.
Jean Hyacinthe Louis Emmanuel Hocquart, marquis depuis 1777, avait fait appel à Claude Nicolas Ledoux (1736-1806) pour embellir le château dont il avait hérité de son père. Après l'occupation prussienne de 1871, les dégâts sont importants. Une huile sur toile, datée du début du XXe siècle, montre des parterres à la française et des jets d'eau, une terrasse surplombant le grand potager. Mais les dégradations sont perceptibles sur le tableau et, notamment, les balustres de la terrasse qui sont très endommagés. On y aperçoit, en contrebas, l'étang de l'Abyme, bassin rectangulaire préservé aujourd'hui au sein du parc Jean-Valjean.
Toutefois, des vestiges témoignent toujours de la passion du marquis de Hocquart, dernier seigneur de Montfermeil, pour l'astronomie et la géographie : les globes terrestres des pilastres d'angle de l'escalier et le gnomon trônant sur la pelouse. Un gnomon est un cadran solaire simplifié dont le style (la tige dont l'ombre marque l'heure sur un cadran solaire) n'est pas parallèle à l'axe terrestre. Dans la seconde moitié du XIXe siècle, l'ancien fief seigneurial n'existe plus et le grand château est donné à bail à diverses personnalités. Le domaine est définitivement démantelé à la fin du siècle avec la création des lotissements de Franceville et des Coudreaux à partir de 1896-1897. Avant d'être détruits en 1928, les bâtiments du grand château ont servi de décors, vers 1925, pour le tournage de certaines scènes du film Madame Sans-Gêne, interprété par Gloria Swanson et Charles de Rochefort. À son emplacement se trouve aujourd'hui le collège Jean-Jaurès.
En 1869, les corps de bâtiment du Petit château connaissent un curieux sort puisqu'ils marquent le terminus de la ligne ferroviaire Le Raincy-Montfermeil. C'est l'année précédente que, pour la première fois, l'idée d'un véhicule routier guidé par un rail central prend forme. À l'époque, on craint qu'un tram classique n'adhère pas suffisamment à la chaussée pour pouvoir gravir les pentes. L'ingénieur Larmanjat réalise alors un curieux train routier dont les roues des wagons, tout en reposant sur la chaussée, sont guidées par un monorail central et tractées par une locomotive à trois roues, elles-mêmes reposant sur la route.
Cette curieuse locomotive appelée l'« Hirondelle » n'obtient pas un grand succès et disparaît pendant la guerre de 1870. Durant ce conflit, les belles demeures de Montfermeil pâtissent de la présence des soldats prussiens et saxons. La Maison des Bourlon est elle-même occupée par les Saxons. Avec le lotissement du domaine de Montfermeil, les destinées des deux châteaux se séparent définitivement. Émile Hovelaque, le propriétaire du château des Cèdres, achète le Petit château en 1925 lui évitant ainsi de subir le sort de son voisin, le grand château. Entre 1935 et 1942, le nouveau propriétaire Robert de Quatrebarbes transforme les bâtiments en institution scolaire privée, l'école Saint-Paul. La Maison des Bourlon est finalement rachetée par le conseil général de la Seine-Saint-Denis qui fait réhabiliter le bâtiment. C'est actuellement un Etablissement Public Autonome (EPA) qui accueille, sous la tutelle de l'Aide Sociale à l'Enfance, des adolescents de 14 à 18 ans en conflit ou en rupture familiale.
