Die erste Dokumentation der Mühle stammt aus dem Jahr 1583, zum Ende der Hoyaer Grafenzeit, in der sie als baufällig und restaurierungsbedürftig beschrieben wurde.
Ab 1609, so wurde urkundlich festgehalten, war sie als „Amtsmühle“ im Besitz der Herrschaft und des Amtes Neubruchhausen. Im Jahr 1730 ersetzte man das Mühlengebäude durch ein neues Fachwerkgebäude und –scheune. Da dies zu Regierungszeiten des König Georg II von Hannover und England erfolgte, wurde aus der Neubruchhauser Mühle eine „königliche“, wie eine Gravur an der Wand beweist.
Im 19 Jhd. wurde das Mühlenensemble für Wohnzwecke durch den Anbau eines stuckverzierten Backsteinhaus ergänzt und mit dem Bau einer Backsteinscheune um ca. 1910 vervollständigt.

Seit Ende des 19 Jhd. ist die Mühle im Besitz der letzten Müllerfamilien Eilers und Warnke gewesen, bis im Jahr 2015 das Ensemble verkauft wurde. Der im November 2015 gegründete Verein „Wassermühle Neubruchhausen e.V.“ hat das Mühlengebäude zur Restaurierung und für kulturelle Veranstaltungen vom neuen Besitzer übernommen.