В далеком 16 веке Воронцово являлось царской вотчиной с великокняжеским дворцом. Но с 17 века этим местом уже владели князья Репнины (самый первый из них – Борис Александрович Репнин).
В период войны 1812 года тут создавалось секретное оружие для Бородинской битвы – большой воздушный шар.
Вообще первым известным владельцем этих земель был боярин Федор Васильевич Воронец (примерный год его смерти не позднее 1371г). От его прозвища Воронец пошла фамилия его рода. Владел этой вотчиной, которая изначально именовалась Воронцовским, а позже просто Воронцовым, Фёдор Воронец, начиная со второй половины 14 века.
А вот к 1504 году эта земля уже становится царской вотчиной. Это понятно из завещания великого князя Московского Ивана III (1479—1533), так как там Воронцово числится среди других селений и земель, отданных его старшему сыну Василию III. А еще известно, что Василий III прожил в Воронцове все лето 1519 года, что указывает на то, что в то время в Воронцове уже существовала усадьба, центром которой был великокняжеский деревянный дворец.
В Смутное время Воронцово было в выжженном состоянии (это было обыденно для подмосковных земель тех времен).
Время царствования первого царя из династии Романовых (Михаила Федоровича) Воронцово попадает во владение к князьям Репниным (передано поместным приказом любимцу царя князю Борису Александровичу Репнину (князь был пожалован в бояре прямо из стольников, минуя промежуточный чин окольничего)).
Уже во время правления следующего царя, Алексея Михайловича, князь Иван Борисович Репнин (1617-1697), являясь ближним боярином и дворецким царя (Тишайшего), в 1678 и 1692 годах основал в Воронцове деревню. Но саму усадьбу построил в пустоши Шатилово (ныне территория Западного округа). Впоследствии его сын и наследник князь Никита Иванович Репнин (1668-1726), будущий герой Полтавской битвы, построил для себя усадьбу уже в Воронцове. К 1709 году в Воронцово числится господский дом и хозяйственные постройки, все деревянные.
В середине 18 века тут был построен дом на каменном фундаменте, но деревянный. А со второй половины 18 века к нему с двух сторон возвели два корпуса служб. Все было симметрично расположено относительно главной композиционной оси и ограничивало парадный двор с севера и юга. А еще рядом усадьбой устроили полотняную фабрику «о двадцати станах».
Восточная часть имения имела редкую для того времени лучевую планировку. В сторону старой Калужской дороги от господского дома отходили три аллеи, это такой своеобразный планировочный символ власти, пришедший в Россию из Версаля – резиденции французских королей.
П.И. Репнин не имел собственных детей и по завещанию в 1778 году усадьба отошла двоюродному брату - князю Ивану Ивановичу Лобанову-Ростовскому. Такое завещание показалось "сумнительным" Екатерине II и юстиц-коллегия решила спор о наследстве в пользу другого двоюродного брата П.И. Репнина - князя Николая Васильевича Репнина. Он оставил за собой Воронцово, но все остальное отдал И.И. Лобанову-Ростовскому.
При Н.В. Репнине Воронцово было реконструировано и эту усадьбу стали называть "прекрасно устроенной и украшенной". После неудачного посольства в Пруссию в 1798 году, Н.В. Репнин вернулся в Москву, где провел последние годы жизни, часто посещая Воронцово, куда время от времени приезжали его родственники и друзья. Скончался он 12 мая 1801 года в своем Воронцове.
По завещанию Воронцово предназначалось не дочери Н.В.Репнина - А.Н.Волконской, а ее младшей сестре Дарье Николаевне Репниной, которой было завещано "замуж не выходить, жить при сестре и жить дружно". Но Дарья Репнина довольно скоро вышла замуж. Так что сестры, не выполнив волю отца, по-своему переделили наследство. Владелицей Воронцова стала княгиня Александра Николаевна. А в результате вояжа в Петербург ее старший сын князь Николай Григорьевич Волконский получил фамилию Репнин, присвоенную ему царским указом в память заслуг деда.
В мае 1812 года А.Н. Волконская предоставила территорию Воронцова для военных нужд. Здесь находился секретный завод по строительству управляемого воздушного шара. Создателем этого изобретения был немец Франц Леппих, по его замыслу, воздушный шар должен был поднять в воздух до 50 человек одновременно, которые могли бы бомбардировать вражеские позиции взрывчатыми снарядами. Строительство проходило под покровительством императора Александра I, а также при активном содействии графа Аракчеева и графа Ростопчина - генерал-губернатора Москвы.
Грозное оружие планировалось создать к Бородинской битве, но проект завершился неудачей: у изобретателя возникли технические проблемы, не позволившие завершить всё вовремя. В сентябре 1812 года части незаконченного аэростата были эвакуированы на 130 подводах в Нижний Новгород. Гондола шара и часть оборудования были сожжены строителями. Французы знали о данном строительстве, и послали в Воронцово генерала Лауера с отрядом, который доложил Наполеону, что «…здесь была обнаружена лодка, которая подвешивалась к воздушному шару, но была сожжена до вступления наших войск в Москву». Французским отрядом, который проверил все окрестности Воронцово, были пойманы 26 человек. Среди них, главным образом были мастеровые, а также офицер и 10 ополченцев, которые остались охранять имение. По приговору военно-полевого суда 16 из них объявлены «поджигателями» и расстреляны.
При отступлении из Москвы, французы сожгли усадьбу. После войны, одновременно с восстановлением всего города, Воронцово была отстроено заново.
В 1834 году, после смерти А.Н. Волконской, Воронцово досталось ее внуку - чиновнику Коллегии иностранных дел князю Василию Николаевичу Репнину (1806-1880). В отличие от своих предшественников, В.Н. Репнин не очень дорожил родовой вотчиной, в которой появился на свет, и в 1837 году продал Воронцово действительному тайному советнику и обер-шталмейстеру Сергею Ильичу Муханову (1762-1842), который был женат на Варваре Дмитриевне Тургеневой (1774 - 1845). При нём была реконструирована церковь святой Троицы, существовавшая в Воронцове с 1807 года. Из экономии средств для церкви был переделан увеселительный парковый павильон. На С.И. Муханова было возбуждено дело о неправильном им владении церковною землей. Видимо, чтобы замять его, в следующем году Сергей Ильич пристроил к церкви придел и колокольню. После открытия церкви в 1837 году к югу от нее было устроено кладбище.
От С.И. Муханова Воронцово перешло по наследству к его дочерям Марии, Анне, Елизавете и Екатерине, которые были в своё время придворными фрейлинами.
Со временем сёстры Мухановы продали усадьбу потомственному почетному гражданину Григорию Ивановичу Сушкину (1824 - 1873). Его дети, став владельцами Воронцова в 1873 году первое время владели им сообща как ранее Мухановы. Но между ними произошёл раздел, и к 1883 году Воронцово стало числиться за старшим из наследников — Михаилом Григорьевичем Сушкиным. Его дела шли не очень хорошо, из первой гильдии он был вынужден перевестись во вторую, а в 1890-х годах он и вовсе продал Воронцово Торговому дому “Карл Тиль и К”, занимавшемуся производством и продажей военной амуниции. Торговый дом возглавлял почетный старшина Московского Совета детских приютов купец 1-й гильдии Карл Карлович Тиль (1860-1903) — австриец по происхождению.
Потом Воронцово перешло к зажиточному крестьянину Вятской губернии Александру Ильичу Вахрушеву (Вохрушеву), одновременно состоявшему и старостой местной церкви. На него в 1908 году коренные жители села отправили жалобу Московскому губернатору из-за того, что крестьянин-помещик запретил ремонтировать превратившуюся в болото общественную дорогу, проходившую через его земли, так как она "есть не плановая".
В 1911 году Воронцово приобрел за 250 тысяч рублей юрист, присяжный поверенный Евгений Адамович Грюнбаум, который владел усадьбой вплоть до национализации 1917 года. С 1917 по 1920 год Воронцово принадлежало совхозу, в 1920 году в бывшей усадьбе разместился НИИ растений, здесь стало располагаться опытное хозяйство «Воронцово».
В 1920-е годы в парке располагалась биостанция, а затем, до 1976 года — свиносовхоз, первоначально находившийся в ведении ОГПУ-НКВД.
На территории усадьбы в середине 20 века было даже футбольное поле, на котором проходили соревнования местных футбольных команд. В 1960 году Постановлением Совета Министров СССР № 1327 от 30.08.1960 года Воронцовский парк с комплексом сооружений был объявлен памятником архитектуры и садово-паркового искусства.
В 1979 году все захоронения, которые находились на территории усадьбы, были перенесены на Хованское кладбище (есть также версия, что могилы, не востребованные родственниками в краткие сроки после объявления, были снесены бульдозером). Кладбище находилось справа от церкви, у Старокалужского шоссе, а также слева, между аллеей и проезжей частью.
В 1989 году в усадебном парке была проведена реконструкция зелёных насаждений. В пойме реки Чуры был сооружён каскад из 5 прудов, в месте, где находится исток рек Раменка и Котловка. Планировка усадебного парка, впервые отмеченная на плане генерального межевания 1770 года, частично сохранилась. К сожалению, основная часть Воронцовского парка, находившаяся за прудами, не сохранилась. Судя по старинному плану, она была подобна парку в Кускове.
В 1990 году в Троицкой церкви возобновились богослужения, а 1991—1993 года храм был восстановлен. Колокольня и одна из стен храма фактически были выстроены заново. Возле церкви был установлен закладной камень будущего памятника жителям Черёмушкинского района Москвы, погибшим при ликвидации последствий Чернобыльской аварии.
30 октября 2002 года Правительством Москвы было решено создать Государственное Унитарное предприятие «Усадьбы Воронцово» с целью её восстановления, реставрации, содержания и эксплуатации. В 2005 году был разработан генеральный план по восстановлению. Восстановление части усадебных строений в основном завершилось в июле 2007 года.