Трехвековая история Полотняного Завода насыщена многими яркими и важными в масштабах страны событиями. С Полотняным Заводом неразрывно связано зарождение в начале XVIII века мануфактурного производства в России. Основатель дворянского рода Гончаровых Афанасий Абрамович (1702-1784) был одним из тех неординарных людей эпохи Петра I, который стоял у истоков развития отечественной промышленности.
Начало полотняной фабрики, давшей название населенному пункту (некогда на этом месте располагался погост Взгомонье, позднее – село Згомонь), восходит к 10 марта 1718 года, когда по именному указу Петра I калужским купцом Тимофеем Филатовичем Карамышевым был построен завод по производству парусного полотна, а затем «бумажная мельница». Компаньонами-совладельцами Карамышева были его племянник Григорий Иванович Щепочкин и калужский посадский человек Афанасий Абрамович Гончаров. В 1733 году основатель дела купец Карамышев умер, и по разделу 1735 года А. А. Гончаров стал единоличным владельцем полотняной и бумажной фабрик на Суходреве. Эти процветающие предприятия были по тем временам одними из самых крупных в России. Производимое здесь парусное полотно даже экспортировалось в Англию, для нужд британского флота, а бумага считалась лучшей в России. За такие коммерческие успехи в 1742 году купец А. А. Гончаров был произведен в чин коллежского асессора, что давало право на потомственное дворянство.
Во второй половине XVIII столетия в Полотняном Заводе началось строительство крупного усадебного комплекса — родового имения семейства Гончаровых. Происхождение усадьбы Полотняный Завод имеет уникальную особенность. Она не относилась к аристократическим усадьбам. Своеобразие усадьбе придали возникшие ранее полотняная и бумажная фабрики. На рубеже 1760-1770-х годов были сооружены огромный трехэтажный барский дом, двухэтажный гостевой флигель – так называемый Красный дом, разбит парк. В усадебный комплекс входили Спасские ворота при въезде и одноглавая Спасская церковь, построенная в 1736 году. В 1741 году А. А. Гончаров построил в усадьбе храм Преображения Господня. Огромный парковый ансамбль Полотняного Завода создавался несколько десятилетий, с середины XVIII века до начала XIX столетия, и состоял из трех частей: Большого парка, Нижнего парка и Красного парка. В течение двух столетий лучшие зодчие занимались строительством и благоустройством усадьбы.
Полотняный Завод освящен именами великих устроителей Русского государства – Петра I и Екатерины II, его история связана с событиями Отечественной войны 1812 года и её легендарным полководцем Михаилом Кутузовым (в усадебном доме Полотняного Завода несколько дней размещался штаб командующего).
В Полотняном Заводе прошло детство и юность Натальи Гончаровой – будущей жены А. С. Пушкина. В конце мая 1830 года Пушкин впервые приехал в усадьбу, которая с ее огромным тенистым парком, большой библиотекой и живописными окрестностями очень понравилась поэту. В последние годы жизни он часто мечтал переехать в Полотняный жить насовсем. После гибели Пушкина, в Полотняном Заводе несколько лет жила его вдова с детьми.
В конце XIX века, при Дмитрии Дмитриевиче Гончарове (младшем) в Полотняном Заводе был устроен Народный театр для рабочих фабрики. На его сцене выступали О. Л. Книппер, Е. Ф. Гнесина, А. В. Луначарский.
Во время Великой Отечественной войны усадьбе был нанесен огромный ущерб: сгорел главный дом, был сильно вырублен парк. Усадьба была восстановлена только в 1970-х годах. Реставрационные и восстановительные работы ведутся и поныне. Сейчас в Полотняном Заводе действует музей. Ежегодно в первое воскресенье лета проводится Пушкинский праздник поэзии.