A l'emplacement du château féodal de Louis XI, Philippe Le Bel et des Charles V, VI et VII, qu'il fait raser, François Ier fait édifier un logis de style Renaissance qui deviendra le plus grand château royal de France, en confiant sa construction et sa décoration à des artistes français comme italiens : plus de 1500 pièces et plus de 130 hectares de jardin. 

L'ambition du monarque est d'en faire le centre culturel et artistique du royaume : il fait venir d'Italie artistes et oeuvres, et notamment La Joconde. Les peintres de "L'Ecole de Fontainebleau" sont bientôt renommés en Europe de l'ouest. François Ier fait aussi réunir une bibliothèque confiée à Guillaume Budé qui sera l'ancêtre de la Bibliothèque Nationale, instituant le dépôt légal en 1537. 

Le délaissement progressif de Blois pour Fontainebleau constitue une étape du rapprochement du pouvoir royal de Paris. 

Henri II reprendra la construction du château, encore poursuivie par Henri IV. C'est Louis XIII qui achèvera finalement l'édification du château de Fontainebleau.