An den drei Flügeln des Königsschlosses lässt sich die Entwicklung der französischen Profanarchitektur verfolgen. Aus dem 10. Jh. stammt der runde Wehrturm Tour du Foix. Der für König Ludwig XII. erbaute Flügel mit seinen großen Fenstern und Arkaden ist beispielhaft für die französische Spätgotik. Der um 1515 entstandene Flügel Franz' I. aus hellem Tuffstein ist üppig im Stil der italienischen Renaissance dekoriert. Sein Glanzstück ist der zierlich durchbrochene achteckige Treppenturm. Im 17. Jh. wurde der Wohntrakt nach Plänen von François Mansart im Stil des klassizistischen Barock ausgeführt. Seit der Restaurierung im 19. Jh. wird das Schloss museal genutzt. So beherbergt der Flügel Ludwigs XII. das Musée des Beaux-Arts mit Gemälden, Tapisserien und Skulpturen aus dem 17.–19. Jh., darunter auch Werke von Ingres, Rubens und Boucher.
Die Gemächer der Katharina von Medici befinden sich im Flügel Franz' I. Ihr holzgetäfeltes Kabinett mit den vielen Verzierungen, versteckten Wandschränken und Geheimfächern wurde im Roman ›La Reine Margot‹ von Alexandre Dumas zum Giftdepot der Königin.
