Древнейшая часть дворца, оставшаяся от средневекового замка, окружает небольшой внутренний Овальный двор с перестроенным квадратным донжоном, а многочисленные ренессансные пристройки сделаны при Франциске I, уделявшем Фонтенбло много внимания. Они расположились на месте бывшего монастыря тринитариев, основанного Людовиком Святым, от которого сохранилась лишь часовня Троицы, включенная в комплекс дворца. Франциск полюбил этот уголок, окруженный лесом, в котором он мог охотиться, и начал перестройку дворца в ренессансном стиле, для его внутреннего убранства он пригласил итальянских художников, которые создали во Франции так называемую «художественную школу Фонтенбло». Бурное строительство идет здесь и при Генрихе IV, а при Людовике XIII продолжается внутренняя отделка покоев. При Людовике XIV весь двор выезжал сюда во время охотничьего сезона.
Двухэтажное белокаменное здание дворца с большими мансардными окнами очаровывает своим изяществом и благородством линий. Здесь нет пышности барокко, однако строгие фасады привлекают внимание своей неброской красотой. Дворцовый комплекс состоит из нескольких павильонов, сформировавших два внутренних двора. Полукруглая увенчанная куполом арка ворот Дофина, построенная при Генрихе IV, ведет в Овальный двор, окруженный зданиями бального зала и часовни Сатурнина с одной стороны и тронного зала с другой. Павильон с бальным залом примыкает к донжону, к которому также пристроен павильон Прекрасного Камина, лежащий вне двора. Перед его фасадом взбираются на второй этаж параллельно стене две лестницы. Центральный павильон новой части дворца, соединенный с павильоном Прекрасного Камина галереей Франциска I, фланкирован двумя квадратными башнями, от нее спускается вниз парадная лестница, марши которой изогнуты в виде подковы. Центральный павильон соединен с сохранившейся со времен Средневековья часовней Троицы, увенчанной квадратной часовой башней с коническим шпилем на высоких колоннах, симметрично которой в конце другого крыла расположился трехэтажный Большой павильон с овальными мансардными окнами на высокой крыше. Он обращен на небольшой Фонтанный двор, на который с противоположной стороны выходит один из фасадов павильона Прекрасного Камина. Первый этаж Большого Павильона открывает аркада полукруглых арок, а прямоугольные окна второго этажа фланкированы колоннами. Самый большой внешний прямоугольный двор Белой Лошади охватывают два трехэтажных флигеля из красного кирпича, дверные и оконные проемы которых обработаны белым камнем, создавая своеобразный колорит этой части дворца, характерный для эпохи Генриха IV.
Залы дворца украшены эмблемами и вензелями королей и королев, которые их строили и жили здесь. В грандиозной галерее Франциска I плоский деревянный балочный потолок украшен ромбовидными кессонами. Под высокими окнами стены облицованы деревянными панелями с вензелем Франциска, между окнами помещены фрески в позолоченных лепных рамах. Бальный зал перекрыт высоким плоским кессонированным потолком, связанным со стеной системой паддуг. Окна утоплены в глубоких полукруглых нишах стен, расписанных фресками. Над входом в зал устроен балкон для музыкантов, в противоположном конце возвышается камин, украшенный с двух сторон скульптурами из черного камня. Часовня св. Сатурнина, построенная при Генрихе IV, перекрыта сводчатым потолком с квадратными кессонами, украшенными позолоченной лепниной, по периметру стен полукруглые арки раскрашены в розовый и серо-зеленый цвет под мрамор, над ними пробиты окна, фланкированные розовыми колоннами. Личные апартаменты монархов декорированы проще, балки потолка украшены разноцветным орнаментом на белом фоне, нижняя часть стен занята белыми панно с орнаментом, а верхняя обтянута зеленой материей с золотым шитьем. Очень красив зал Людовика Святого, плоский кессонированный потолок которого позолочен, а верхняя часть стен расписана фресками. В салоне Людовика XIII на стенах висят картины в позолоченных рамах, на плоском потолке – живописные плафоны. Несколько комнат замка относятся к 19 в., времени правления Наполеона и Луи-Филиппа. В салоне Отречения состоялось отречение Наполеона от престола в 1814 г., после которого он отправился на остров Эльба, чтобы через год вернуться вновь.
