Ещё при Франциске I в Фонтенбло была построена великолепная галерея, носящая его имя, которая соединяла покои короля с часовней Святой Троицы. Она отличается оригинальной отделкой, включает в себя прекрасные фрески, скульптуры и деревянные орнаменты с символикой короля. При Франциске I исчезли почти все средневековые постройки, кроме донжона, сохранившегося до наших дней; при нём также была создана чудесная гостиная. В последующие столетия этот замок не раз переделывался и достраивался в соответствии со вкусами и модой каждой эпохи. Франциск I собрал в стенах замка неповторимую коллекцию кантиков, старинных манускриптов,  составленных на греческом языке и древней латыни, лучших картин. Фонтенбло стал новым центром зарубежного и французского искусства, своеобразной колыбелью пришедшего вскоре французского Ренессанса. Именно отсюда по Европе распространилась мода на маньеризм. Как раз в годы правления Франциска I возвели царственный дворец, являющийся  до сегодняшнего дня основным  архитектурным сооружением всего комплекса. Проект основного царственного дворца долгие годы разрабатывал архитектор Лабрён. Величественный фасад дворца всех королей имеет выход в просторный двор  под названием «Белая Лошадь». В этом дворе некогда устраивали рыцарские турниры, празднества и всевозможные торжества. Из королевского дворца во двор можно спуститься по широкой лестнице, сделанной в  виде подковы. Ступени лестницы сделаны пологими, специально для всадников. Лестничные марши округлены и напоминают две подковы, соединённые между собой. Массивная каменная балюстрада прилегает к этим своеобразным лестничным маршам. Балюстраду возвели в 1634 г., воспользовавшись проектом архитектора Серсо. Посреди двора красиво смотрится неповторимый фонтан со статуей Уиллиса 1812 г. Из фонтанного двора можно попасть в известную галерею, выстроенную в годы правления короля Франциска I. Её исследователи считают первой из художественных галерей,  имеющихся сегодня в королевских дворцах Лувра и Версаля. Всего в нескольких десятках метров от этого фонтанного двора находится сад Дианы. Исследователи подчёркивают, что застройка Фонтенбло происходила без всякого плана. В основном это были дома королевских приближённых, фавориток и художников. Самым распространённым строительным материалом служил песчаник, который добывался в карьерах, расположенных неподалёку. В связи с тем, что земли Фонтенбло с самого начала были крайне элитарными, численность его населения росла очень медленно (к 1559 г. количество жителей Фонтенбло составляло лишь 2 тыс. человек). После смерти Франциска I дворец достраивали Генрих II Валуа (1547–1559 гг.) и его жена Екатерина Медичи (1519–1589 гг.). Строительные работы при их жизни курировал знаменитый архитектор Филибер Делорм. Генрих II завершил отделку великолепного бального зала, а в знак любви подарил своей фаворитке, прекрасной и влиятельной Диане де Пуатье замок Шенонсо, расположенный на Луаре. Бальный зал площадью в 300 кв. м был перекрыт сводом, который лежит на мощных опорах, создающих систему аркад-амбразур. Они уходят в стены на глубину 3 м и тем самым образуют ниши-окна. Пять таких окон обращены в сад, а через пять других можно детально рассмотреть Овальный двор. Стены Бального зала на высоту два метра от пола обшиты дубовыми панелями, на филенках которых многократно повторяются изображения эмблемы и герба Франции, а также вензеля с инициалами Генриха II и его фаворитки. Пространство Бального зала между потолком и панелями заполнено живописью, в которой основная роль принадлежит фрескам. Их исполнил по эскизам Франческо Приматиччо (1504–1570 гг.) итальянский художник Никколо дель Аббате (1512–1571 гг.), сделавший восемь больших фресок на мифологические сюжеты: «Церера и жнецы», «Вулкан, кующий по приказу Венеры стрелы любви» и др. Все росписи Бального зала объединены особой живописной техникой, которую исследователи признают трепетной по характеру исполнения. Генрих II сделал попытку отказаться от итальянского влияния, но после его гибели Екатерина Медичи вновь возвратила итальянских мастеров, которые под руководством Приматиччо внесли светлый и весёлый колорит в декор замка. Чудесный зал, который ещё называют галереей Генриха II, кажется сделанным из золота, благодаря обилию света, свободно проникающему сюда через огромные окна.