Die Meinharde, Grafen von Mühlburg, auch Besitzer der Wachsenburg starben 1242 aus und das Lehen fiel an das Erzbistum zurück. Burghauptmann wurde Berthold von Henneberg. Im Jahr 1310 versuchten die Erfurter, die Burg zu erobern, was nicht gelang, aber 1357 kauften sie die Mühlburg auf. Sie diente ihnen der Sicherung der Kupferstraße von Erfurt nach Nürnberg.
1592 erwarb der Herzog von Weimar die Burganlage und gab sie 1635 an den Herzog von Altenburg. 1665 übernahm wiederum Mainz das Amt mit der verfallenen Burg. 1815 wurde Mühlberg eine preußische Enklave im Gothaer Herzogtum. Der General von Müffling erwarb sie.
Von 1903 bis 1907 erfolgte die Sanierung vom Bergfried, welcher danach als Aussichtsturm galt. 1930 fand der Burgwart die Grundmauern der Kapelle der heiligen Radigundis.
Seit 1970 wird allmählich die Anlage durch die Bürger von Mühlberg gepflegt und instand gesetzt. Berühmtheit erlangte die Burg durch den Schriftsteller Gustav Freytag. Sein Roman „Die Ahnen“ handelt im zweiten Buch „Das Nest der Zaunkönige“ auf der Mühlburg.
Der „Gustav-Freytag-Wanderweg“ verbindet heute die drei Burgen Burg Gleichen, Mühlburg und Veste Wachsenburg. Erste Befestigungsbauten werden auf dem Wassenberg schon für die Zeit um 900 angenommen. Sie dienten dem Schutz der Besitzungen des Klosters Hersfeld in der Arnstädter Gegend.
