François Ier décide de faire édifier un logis de style Renaissance à l'emplacement du château féodal, permettant ainsi de moderniser un pied-à-terre proche de la vallée de Bière, le roi prétextant lui-même choisir cet endroit pour la chasse des bêtes « rousses et noires ». Il fait raser la précédente construction, à l'exception du donjon et d'une partie de la courtine nord, et fait appel à des artistes italiens pour assurer la construction et la décoration de son palais. C'est ainsi que sont édifiés un bâtiment dessinant la cour Ovale et un autre situé sur la basse cour ouest, tous deux reliés par une galerie. François Ier vient chasser à Fontainebleau, accompagné de sa cour et de sa favorite, la duchesse d'Étampes, délaissant ainsi plus ou moins le château de Blois, et annonçant le retour progressif de la cour dans les environs de Paris.
Plusieurs conducteurs de travaux se succèdent durant son règne : Florimond de Champeverne, secrétaire et valet de chambre du roi, est nommé en 1528 conducteur[11] jusqu'à sa mort en 1531. Pierre Paule dit l'Italien, présent dès 1528, ancien concierge du château de Moulins, valet de chambre de Louise de Savoie, dirige ensuite les travaux jusqu'à sa mort en 1535. Il est remplacé par acte du 21 avril 1543 par un conducteur particulier, Salomon des Herbaines, tapissier du roi, garde des meubles et tapisseries, qui présente l'avantage de résider sur place et travaille en collaboration avec Pierre des Hôtels, notaire, secrétaire et valet de chambre du roi ; il décède en 1557.
Triboulet fou du Roi François 1er
Les noms des architectes du château sont, quant à eux, plus hypothétiques : Sebastiano Serlio, pour sa part, se voyait offrir le 27 décembre 1541 l'assurance de 400 livres par an pour « son état de peintre et d'architecte au fait de ses édifices et bastiments au dit lieu de Fontainebleau ». Il apparaît néanmoins que son apport au sein de l'édifice reste limité. D'autres noms ont été avancés pour identifier l'architecte qui officia sous le règne de François Ier. Si Gilles Le Breton a effectivement travaillé sur le projet du château, il n'en est pas le créateur. Le Rosso ou Girolamo della Robbia qui a proposé des décors pour la porte Dorée, peuvent eux aussi figurer parmi les architectes potentiels. Les constructions successives du règne de François Ier, notamment pour la cour du Cheval Blanc, sont elles aussi relativement hypothétiques : les ailes basses sud et ouest de la susdite cour auraient été terminées en 1527, et les ailes basses nord l'année suivante. Le pavillon des Armes aurait été achevé vers 1530, tandis que la moitié sud du logis, le pavillon des Poêles et les bâtiments de la galerie d'Ulysse dateraient d'après 1535. La fin du règne de François Ier, décédé en 1547, aurait vu le remplacement de la chapelle.
Le roi souhaite faire de Fontainebleau un foyer de l'art de la Renaissance : il collectionne les objets d'art, commande des œuvres sur la mythologie, fait venir d'Italie des antiques. Il reçoit des tableaux de la part du pape, collectionne des œuvres de maîtres italiens (La Joconde et La Vierge aux rochers de Léonard de Vinci, la Sainte-Famille, Saint-Michel, et la Belle Jardinière de Raphaël) et fait venir des moules de statues romaines (Laocoon, Apollon du Belvédère...) afin de couler des bronzes. Pour la décoration du château, il commet Rosso Fiorentino qui réalise le pavillon de Pomone, le pavillon des « Poesles », la galerie Basse (tous détruits) et surtout la galerie François-Ier (1534-1540). Giorgio Vasari désigne Fontainebleau comme la « Nouvelle Rome »[2] et son école est renommée dans toute l'Europe de l’Ouest. François Ier constitue dans le château une importante bibliothèque, ancêtre de la bibliothèque nationale. Le château de Fontainebleau reçoit, entre le 4 et le 27 décembre 1536, la visite de Jacques V d'Écosse, futur époux de Madeleine de France. C'est en 1539 que François Ier reçoit à Fontainebleau Charles Quint et lui fait visiter son palais, entre le 24 et le 30 décembre[12]. Ronsard se fera l'écho du faste déployé au château par l'écriture de quelques vers :
« Quand verrons-nous par tout Fontainebleau
De chambre en chambre aller les mascarades... »
Le fils de François Ier, le roi de France Henri II, complète le château avec une salle de bal et une chapelle, reliées à l'édifice par la célèbre galerie François-Ier, qui fait face à l'étang des Carpes. Il nomme Philibert Delorme pour vérifier et visiter le château le 3 avril 1548, date à laquelle la suite des travaux lui est confiée. C'est ainsi qu'une grande partie du château actuel voit le jour, dont la salle de bal. C'est à Fontainebleau que naissent les enfants de Henri II et de Catherine de Médicis, les futurs rois François II (19 janvier 1544) et Henri III (19 septembre 1551) ainsi qu'Élisabeth de France (2 avril 1545), Claude de France (12 novembre 1547), Louis de France (3 février 1549), François d'Alençon (18 mars 1555) et les jumelles Victoire et Jeanne (24 juin 1556).
Deux jours après la mort d'Henri II en 1559, Catherine de Médicis remercie Philibert Delorme, protégé de Diane de Poitiers, et confie les travaux au Primatice qui devient surintendant des maisons royales le 12 juillet 1559. Le 17 juillet, le contrôleur général des bâtiments de France, Jean Bullant, est remplacé par François Sannat. C'est à cette époque que Niccolo dell'Abate décore le château. À la mort du Primatice, le 14 septembre 1570, celui-ci est remplacé par Tristan de Rostaing. Jean Bullant finit par revenir à Fontainebleau et est nommé auprès de Rostaing le 3 août 1571 comme architecte conducteur des travaux. À la mort de Jean Bullant en octobre 1578, le chantier est confié par Henri III à Baptiste Androuet du Cerceau.
Pendant le règne des trois fils d'Henri II (François II, Charles IX et Henri III), le château de Fontainebleau est moins habité, les monarques lui préférant le Louvre, ou encore les demeures du Val de Loire comme Amboise ou Blois. Le château est néanmoins le théâtre d'une assemblée de notables réunis du 21 au 31 août 1560 pour résoudre les questions religieuses qui troublent le royaume et aboutissant à la convocation des États Généraux. Le 31 janvier 1564, Charles IX et Catherine de Médicis reçoivent les ambassadeurs du pape, de l'empereur et du roi d'Espagne en vue d'une négociation afin que la France revienne sur l'édit de pacification d’Amboise.
Jeu de briques
Snake
Pacman
Bubble