Po podziale ojcowizny przez synów Fryderyka w 1544 roku zamek stał się siedzibą młodszej linii rodu, której użyczył swej nazwy: Schleswig-Holstein-Gottorp, i której stał się główną siedzibą. Za panowania księcia Holsztynu-Gottorp Fryderyka III w pierwszej połowie XVII w. zamek stał się ważnym europejskim centrum kulturalnym. Pełnił jednocześnie funkcję twierdzy, otoczony potężnymi fortyfikacjami.

Ostatnim rezydującym tu księciem był Fryderyk IV, za którego sprawą zamek uzyskał barokowy wygląd. Dokonano wówczas znacznej jego rozbudowy, który została przerwana po śmierci księcia w bitwie pod Kliszowem w 1702 roku. Wkrótce potem Szlezwik został anektowany przez Danię, a zamek Gottorp stał się siedzibą duńskiego namiestnika. Bogate zbiory sztuki przeniesiono wówczas do Kopenhagi. Z czasem zamek zaczął pełnić funkcję koszar, najpierw dla wojsk duńskich, potem pruskich. Zamek stopniowo niszczał, do czego przyczynił się także pożar i eksplozja prochu.

Po II wojnie światowej przystąpiono do restauracji zamku i uczyniono zeń obiekt muzealny.