Nahe dem Rheinbacher Ortsteil Wormersdorf entstand im Tertiär ein 316 Meter hoher Basaltkegel, der Tomberg. Archäologische Funde von Siedlungsspuren lassen vermuten, dass es schon in keltischer Zeit eine befestigte Anlage und in der Römerzeit einen militärischen Bobachtungsposten gab.
Im frühen Mittelalter war die besondere Lage nahe zwei Fernstraßen von großer Bedeutung. Die Aachener-Frankfurter Heerstraße war damals eine wichtige Verbindung von den Niederlanden nach Oberdeutschland und über Tirol nach Italien. Sie führte die fränkischen und deutschen Könige zur Krönungsstadt Aachen wurde oft benutz. Die Könige machten auf ihrem Weg auch häufig Halt in Rheinbach oder dem benachbarten Königshof Flamersheim. Auch die Fernstraße Trier nach Köln, von Adenau nach Wesseling zum Rhein, führte durch Rheinbach, nahe der Burg vorbei.
Auf dem Tomberg entstand im frühen Mittelalter (um 900) ein Herrensitz und wurde in den folgenden Jahrhunderten zur Burg ausgebaut. Den rheinischen Pfalzgrafen diente die Burg seit 945 als Amtssitz, so dass der vollständige Ausbau der Tomburg und die weitere Befestigung in die Zeit ihrer Herrschaft fallen sollte. Nicht nur große Forstgebiete wie der Flamersheimer Wald, der Kottenforst und die Ville wurden dort verwaltet. Die Pfalzgrafen führten auch die Aufsicht über die Reichsgüter und hielten anstelle des Königs Gerichte ab. So gab es neben Wohn- und Bewirtschaftungsgebäuden dort auch einen Gerichtssaal.
Ehrenfried beherrschte als Aachener Pfalzgraf um das Jahr 945 vom Tomberg aus nicht nur das Gebiet der alten Königsvilla Hockebur, sondern auch die benachbarten Gaue. Für seine Verdienste in der Ungarschlacht auf dem Lechfelde (955) wurde er dann vom Kaiser mit der Tomburg belehnt.
Ehrenfrieds Sohn, Pfalzgraf Hermann I, beherrschte den Bonn-, Auel-, Eifel- und Zülpich-Gau. Sein ältester Sohn Ezzo war 954 auf der Tomburg geboren. Durch seine Verbundenheit zum Kaiserhof und die Hochzeit mit Mathilde, der Schwester Otto III. wurde Ezzo zum mächtigen und einflussreichen Reichsfürsten. Sie hatten zehn Kinder, sieben Töchter und drei Söhne. Ihre Tochter Richeza wurde Königin von Polen. Sohn Herrmann wurde Erzbischof von Köln; Otto erbte die Pfalzgrafschaft und wurde später Herzog von Schaben. Er starb 1047 auf der Tomburg.
In den folgenden Jahren kommt es immer wieder zu Streitigkeiten mit den Erzbischöfen von Köln und Trier. 1060 stirbt das Geschlecht der Ezzonen aus. So gelangte die Tomburg 1090 in den Besitz der Grafen von Kleve. 1230 erhielt Hermann von Müllenark die Burggrafschaft als Lehnen. Seinen Nachfahren, die sich „von Tomburg“ nennen und später als Raubritter betätigten, diente die Burg als Rückzugsort.
Durch die georgraphische Lage zwischen dem Herrschaftsgebiet des Herzogs zu Jülich und des Erzbischof von Köln, werden die Herren von Tomburg immer wieder in politische Streitigkeiten verwickelt.
Durch Erbteilung fiel das Tomburger Lehen später an mehrere Adelsgeschlechter. Erst 1467 wohnt Friedrich von Sombreff, Herr zu Kerpen, einer der Erben, wieder auf der Burg. Der Ritter war in zahlreiche Fehden verwickelt und beunruhigte die Kaufleute auf der nahe bei der Burg vorbeiführenden alten Heerstraße nach Aachen und die ganze Umgebung durch seine Raubzüge. So rückte Herzog Gerhard von Jülich vor die Burg. Während der langen Belagerung starb der jüngste Sohn des Herzogs 1470 im Kampfe. Als drei Jahre später die Burg endlich fiel, ließ der erbitterte Herzog sie völlig zerstören. Es blieb nur die Ruine.