Po vymretí rodu Thurzovcov hrad opäť pripadol korune a kráľ Ferdinand III. ho v roku 1644 daroval Pavlovi Pálffymu za pomoc v boji proti Turkom a odbojnej uhorskej šľachte. V Bojniciach znovu zavládol stavebný ruch a hrad dostal barokovú podobu. V tejto stavebnej etape so starým jadrom hradu príliš nepočítali. Obytné a reprezentačné priestory sa presunuli do predhradia. Stavebná aktivita na hrade utíchla koncom 17. storočia. A jeho podoba sa v priebehu 18. a 19. storočia podstatne nezmenila.

Po dlhšom období stagnácie a úpadku získal bojnické panstvo s hradom v roku 1852 jeho posledný majiteľ - gróf Ján František Pálffy. Bol významným súkromným zberateľom a svojim zberateľským úsilím presiahol miestne pomery. Jeho vrodený a dlhodobými pobytmi v cudzine pestovaný cit pre umenie sa odzrkadlil v zámernom a systematickom zbieraní umeleckých predmetov. Najlepšie o tom podáva vysvetlenie sám vo svojom závete: "Motívom a cieľom mojich ciest po cudzine a dlhších zahraničných pobytov za môjho dlhého života nebolo iba to, aby som urobil zadosť svojim umeleckým chúťkam, ale aby som z pokladnice cudziny, tak bohatej na výtvarnoumelecké pamiatky, získal toľko, koľko za daných okolností a pri mojich finančných možnostiach bolo len možné. Aby som priviezol do vlasti výtvarnoumelecké diela, a tým aby som prispel k zušľachteniu umeleckého vkusu doma a súčasne vzbudil záujem o umenie." Že sa mu tento cieľ, ktorý opisuje v testamente podarilo naplniť, o tom svedčí skutočnosť, že po jeho smrti, v roku 1910 odborníci odhadli jeho majetok na 90 miliónov korún. Okrem viedenského a budapeštianskeho paláca mal na Slovensku šesť sídiel: palác v Bratislave, kaštieľ v Kráľovej, kaštieľ v Pezinku, zámok v Bojniciach, kaštieľ v Suchej nad Parnou a kaštieľ v Trstenej na Ostrove.

Východiskovým bodom pri zariaďovaní jednotlivých objektov kaštieľov i palácov bola snaha grófa Pálffyho vytvoriť jednotný slohový celok exteriéru i interiéru. Z toho pohľadu patrí prvenstvo zámku v Bojniciach, ktorý dal gróf prestavať podľa vzoru francúzskych gotických zámkov v údolí rieky Loire. Hlavným architektom prestavby bol bratislavský architekt Jozef Hubert. Realizáciou interiérových prác v duchu tirolskej gotiky poveril gróf Pálffy innsbruckú firmu Gebrüder Colli. Rozsiahla neogotická prestavba sa uskutočnila v priebehu rokov 1889 - 1910 a zmenila hrad na čarokrásny zámok. Gróf Pálffy sa jej úplného dokončenia nedožil, pretože zomrel vo Viedni 2. júna 1908.

Už vo svojom testamente gróf Pálffy vyslovil želanie, aby jeho paláce vo Viedni a Budapešti, kaštieľ v Kráľovej a zámok v Bojniciach boli sprístupnené pre verejnosť a aby umelecké diela zostali na pôvodných miestach a prehliadka bola umožnená všetkým záujemcom. Gróf však netušil, že toto jeho želanie sa naplní až o niekoľko rokov neskôr, konkrétne v roku 1950, kedy v bojnickom zámku bolo zriadené Krajské nitrianske múzeum. Dnešné múzeum je súčasťou Slovenského národného múzea. V roku 1970 bol zámok vyhlásený za Národnú kultúrnu pamiatku.