Møllen har fået sit navn efter Sønderborg slot, på hvis grund det oprindelig lå. i november 1790 købte Otto Heinrich Thiesen den store slotshave og byggede en mølle kaldet Slotsmøllen. Den stod færdig i 1791.
Møllen nedbrændte i 1837, men blev straks genopført.
Den 18. april 1864 blev mølle og stuehuset skudt i brand sammen med 319 andre bygninger i Sønderborg, men møllen blev hurtigt bygget op igen. Skanse 5 blev senere anlagt på møllens jord.
Da krigen udbrød i 1870, blev møllen nedrevet, da den lå for tæt på skansen. Den blev flyttet til Tinglev, hvor den nedbrændte i 1922.
Den nuværende mølle blev bygget i 1874-75, noget længere mod nord.
I 1926 nedtoges hatten og vindfanget på mølle og solgtes til Ulbølle mølle på Sydfyn. I 1955 blev Slotsmøllen overtaget af firmaet Møller & Co., som brugte den nyrestaurede mølle som firmaets vartegn og varemærke. Der købtes nye vinger og møllehat fra Bjerreby mølle på Tåsinge.