Der Vorgängerbau des Wasserschlosses Ulenburg in Löhne wurde 1299 erstmals erwähnt.
1568/69 wurde der heutige Bau für Hilmar von Quernheim in den Formen der Weserrenaissance errichtet. Der verputzte Baukörper mit Gliederungen aus Sandstein sitzt auf einem hohen Sockel auf und ist an der Rückfront mit einem Treppenturm versehen.
Die heutige Erscheinung ist durch spätere Umbauten und Erweiterungen geprägt: Mitte des 17. Jahrhunderts wurden die Zwerchhäuser und der Turm an der Wasserseite ergänzt, außerdem wurde der gartenseitige Nordflügel hinzugefügt.
In den Jahren 1851-54 und 1902-12 wurde Schloss Ulenburg ausgebaut. Dabei wurde vor allem die Gartenseite verändert und die beiden Türme aufgestockt.
Die Schmalseiten des Herrenhauses sind mit Giebeln mit Viertelkreisaufsätzen von Johann Korffmacher versehen.
Der verzierte Erker („Utlucht“) stammt von Meister Gerdt und wurde 1962 restauriert. Reich profilierte Kragsteine tragen den Erker, der mit einem, von einer Fächer-Rosette verzierten Dreiecksgiebel bekrönt ist.
Das Schloss wird an der Hauptseite durch ein Portal, das 1902 zusammen mit der steinernen Bogenbrücke erneuert wurde, betreten. Herzstück des Schlosses ist der kassettengedeckte Rittersaal.
Hinter Schloss Ulenburg erstreckt sich ein Landschaftspark mit einem alten Baumbestand.