Gyldenholm nævnes i historien første gang i 1350. Før reformationen i 1536 var området en del af Sorø Kloster, men efter reformationen overgik det til Kronen som en del af Antvorskov Ryttergods. I 1774 blev Antvorskov Ryttergods solgt på auktion, og en af køberne var kancelliassessor Anders Dinesen. Han valgte at opføre sin hovedgård midt på de mest frugtbare marker, kendt som "Guldagrene" på grund af den frugtbare og dyrkningssikre jord. Det var her, gården fik sit nuværende navn, Gyldenholm.
Anders Dinesens søn, Jens Kraft Dinesen, solgte i 1800 Gyldenholm (for i stedet at købe Kragerup Gods) til Christopher Schøller von Bülow og Peter Johansen de Neergaard. De delte købet således, at Bülow fik jordegodset og Neergaard fik skovgodset.
Bülow gik konkurs og måtte afhænde Gyldenholm, som dernæst blev handlet flere gange med korte mellemrum og endte endeligt i hænderne på den virksomme sjællandske landmandsslægt Neergaard i 1862.
Som 11-årig havde Charles Adolph Denis de Neergaard (til Førslevgaard) arvet hele området omkring Gyldenholm, da han ved lodtrækning vandt både Castrup Gods og Charlottedal Gods efter sin barnløse farbroder på Gunderslevholm (‘arveonkel’ Carl de Neergaard). Da Charles blev myndig, kom selve Gyldenholm til salg og han tilkøbte også denne ejendom. Dinesens hovedgård tilfredsstillede ikke den unge nye ejer og han byggede derfor straks en ny hovedbygning.
Godset ejes i dag af Jacob Johan Thomas de Neergaard, som er C.A.D. de Neergaards tipoldebarn og således 5. generation af slægten på Gyldenholm.
Gyldenholm driver i dag over 1.800 ha landbrugsjord samt ca. 750 ha skov.
Gyldenholms hovedbygning, som den ses i dag, er opført i årene 1862-1864.
Den karakteristiske hovedbygning er tegnet af arkitekt J.D. Herholdt og er indvendigt dekoreret af guldaldermalerne Georg Hilker og Constantin Hansen. Bygningen blev fredet i 1978.
Desværre var hovedbygningen, både op til og efter fredningen, ubeboet og uopvarmet gennem flere årtier. Dele af husets trækonstruktion var angrebet af almindelig hussvamp. Kælderen og en række af husets vigtigste rum gennemgik derfor en tiltrængt restaurering i 2008-2010. Bygningen var derefter og indtil 2016 lejet ud som konferencecenter, hvorefter der løbende blevet renoveret yderligere i bygningen.
I dag bor godsejer Jacob Johan Thomas de Neergaard i hovedbygningen sammen med sin hustru og deres tre sønner.
