Строительство замка длилось при Франциске 25 лет, и было закончено в 1543 г. Огромный замок состоит из 440 комнат, прогреваемых 365 каминами, его интерьеры украшают 800 капителей и этажи соединяют 15 лестниц. Однако король приезжал сюда лишь изредка, после его смерти замок приходит в запустение. Несколько раз Шамбор посетил Людовик XIV, здесь перед ним разыгрывали новые пьесы Мольер и композитор Люлли. В 1725 г. Людовик XV отдал замок низложенному польскому королю Станиславу Лещинскому, на дочери которого был женат, здесь жил маршал Мориц Саксонский, при Наполеоне Шамбор перешел к маршалу Бертье. После Реставрации замок был продан герцогу Бордосскому, последнему представителю французской королевской династии.
Белокаменное здание замка состоит из центрального трехэтажного крестообразного в плане павильона, углы которого усилены четырьмя круглыми башнями с высокими коническими черными крышами, пристроенными к нему двумя длинными крыльями, также завершающимися башнями, в которых расположены королевские апартаменты и дворцовая капелла. При Людовике XIV были достроены еще два крыла, образовавшие большой прямоугольный внутренний двор, вход в который был оформлен парадными воротами.
Ядром всего замка является расположенная в центре крестообразного павильона широкая двухпролетная винтовая лестница, построенная по проекту Леонардо да Винчи так, что два пролета нигде не пересекаются. Каждый этаж разделен на четыре одинаковые секции по четыре комнаты, включающие парадную залу, гардеробную, спальню и комнаты прислуги, еще по четыре комнаты находится в угловых башнях. Сводчатые потолки украшены кессонами, в которых вырезана эмблема Франциска I, саламандра. Эти комнаты предназначались для придворных. Королевские апартаменты ввиду их размеров не могли поместиться в ограниченном пространстве замка, поэтому для них было построено отдельное крыло. Фасады замка, обращенные на внутренний двор, открывает арочная галерея первого этажа, к углам центрального павильона пристроены две лестничные башни с открытыми на улицу пролетами винтовых лестниц.
Особую красоту и уникальность замку придает его крыша. В ее центре расположен высокий тридцатидвухметровый фонарь с куполом, венчающий винтовую лестницу, окруженный многочисленными пинаклями, фонариками и каминными трубами, декорированными колоннами, скульптурными фронтонами и частым изображением саламандры. Крыша является продолжением замка, предоставляя открытую галерею для прогулок, с которой открывается чудесный вид на окрестности Шамбора, самого величественного из ренессансных французских замков.