Esimesed teated Vao mõisat (saksa k Wack) pärinevad 1442. aastast. Tollaste omanike Wackide järgi on mõis saanud endale ka nime.

Keskajal püstitati mõisa kivist kindlustatud mõisahoone ehk tornlinnus. See on enam-vähem algsel kujul säilinud tänini, olles Eesti üks paremini säilinud keskaegseid väikeseid vasallilinnuseid. Kui vägagi tihti on keskaegsete linnuste ülakorrused kas hävinud või hiljem üles ehitatud, siis Vao tornlinnuse müürid on kogu nelja korruse kõrguses algsed. Tornlinnus on ehitatud arvatavasti 15. sajandil kuigi mõned uurijad on pakkunud rajamisajaks ka 14. sajandi teist poolt.

Ruudukujulise põhiplaaniga neljakorruseline tornlinnus on ligikaudu 10x10 meetri suurune. Linnuse kaks esimest korrust on võlvitud — esimene korrus oli laokorrus, teine aga arvatavasti esinduskorrus. Kaitsevajadustest tingituna asus tornlinnuse sissepääs vaid teisel korrusel (praegu lisaks toimiv esimese korruse sissepääs on hilisem lisand).

Linnuse kolmas ja neljas korrus olid kaetud talalagedega. Kolmas korrus oli peamine elukorrus, kus asetsesid nii kamin kui ka dansker. Kaarjate laskeavadega neljas korrus oli kaitsekorrus. Rahvasuu räägib ka Vao tornlinnusest 3 kilomeetrit lõunas asuvasse Kiltsisse suunduvast maa-alusest käigust. Juttudel võib olla tõepõhigi all, kuna linnuse esimesel korrusel oli enne 1980te aastate restaureerimistöid näha oletatav käigu algus. Samuti täideti eemal mõisa põllul 20. sajandi algul pikki lohke.

Tornlinnus restaureeriti 1986. aastal, seal paikneb Vao muuseum. Täiendav teave: muuseum@v-maarja.ee, tel. 326 1625.

Järgnevatel sajanditel on Vao mõis kuulunud nii von Bremenite, von Budbergide, von Anrepitele kui ka von Helffreichide aadliperekondadele. 1744. aastal omandasid mõisa Edler von Rennenkampffid, kelle valdusse jäi mõis ligi kahesajaks aastaks. Mõisasüda koos väikese maatükiga jäi nende omandusse kuni Saksamaale ümberasumiseni 1939. aastal.

Hilisem mõisasüda ehitati väikese, kuid esindusliku barokk-kompleksina välja 1770-80tel aastatel. Ühekorruselise puidust peahoone esist väljakut ääristasid üksteisega sarnased ait (1774) ja tall-tõllakuur (1783). Peahoone vastas paiknes väravaehitis, kuhu suundus kihelkonnakeskusest Väike-Maarjast mõisa suunduv sihitee. Ülejäänud kõrvalhooned paiknesid läheduses, keskaegsele tornlinnusele oli tehtud barokne vahelaternaga katus.

Mõisa peahoone hävis 1918. aastal tulekahjus, sellest on alles vaid keldriruumid ning võsastunud vundament. Samas on säilinud nii ait, tall-tõllakuur kui ka mitmeid muid kõrvalhooneid, sh stiilne historitsistlik viinavabrik (püstitatud 1864, laiendatud 1900). Mõisasüdamest on 1950-80tel aastatel kujunenud arvukate tootmishoonete ning korruselamutega maa-asula (endine kolhoosiasula).

Ajaloolise jaotuse järgi Virumaale Väike-Maarja kihelkonda kuulunud mõis jääb kaasajal Lääne-Virumaale Väike-Maarja valla territooriumile.