Édifié au cœur d'une forêt giboyeuse, Chambord surprend par ses proportions gigantesques. Ce château ne peut se comparer à aucune autre construction de François Ier. Le roi a voulu réaliser une œuvre qui célèbre sa grandeur et celle du royaume, un monument dont le sens resterait inscrit pour longtemps dans la mémoire des hommes.
Véritable projet politique, Chambord est né de la rencontre entre deux hommes d'exception, François Ier et Léonard de Vinci. Le jeune roi ramène Vinci en France en 1516 et l'installe à Amboise où il meurt en mai 1519.
Durant ces trois années, il le sollicite pour divers projets, en particulier pour celui d'un château à Romorantin, et, sans doute, pour celui de Chambord dont le plan mûrit dans les années 1518-1519.
Dominique de Cortone, dit le Boccador, réalise une maquette en bois, et, en septembre 1519, François Ier nomme François de Pontbriant surintendant de la construction de Chambord dont les travaux commencent.
Ils se poursuivent jusqu'aux années 1560, avec une brève interruption pendant la captivité du roi à Madrid. À la mort de Henri II, le château est inachevé, le chantier suspendu, et il faut attendre le XVIIème siècle pour que l'aile ouest et la tour nord-ouest reçoivent une toiture.
Ce château extraordinaire combine les idées italiennes les plus récentes et les formes architecturales françaises les plus traditionnelles.
Il est construit sur le principe des églises italiennes à plan centré et rappelle les recherches de Léonard de Vinci sur le chœur de la cathédrale de Pavie dans les années 1490, recherches qui devaient nourrir l'inspiration pour la basilique Saint-Pierre à Rome. L'Italie inspire l'organisation géométrique rigoureuse du plan.
L'emploi de véritables voûtes en berceau à caissons, inusitées en France, relie Chambord à l'antiquité romaine et au couvrement de la basilique Saint-Pierre.
En revanche, plusieurs traits affirment la continuité de Chambord avec la tradition française.
Le choix d'un donjon, cantonné de quatre tours et entouré d'une vaste enceinte, présente une certaine analogie avec la disposition de Vincennes.
L'escalier en vis qui traverse le centre du donjon inscrit Chambord dans la lignée architecturale française, de même que les parties hautes très animées qui se déclinent en multiples formes découpées.
Le "donjon" occupe le centre du château. Il est construit en premier et se termine vers 1535-1540. À chacun de ses trois niveaux, les quatre angles sont occupés par des appartements de plan carré, chacun étant complété par un autre appartement placé dans la tour d'angle voisine. L'espace cruciforme laissé libre par cette disposition est occupé par quatre vaisseaux couverts de voûtes à caissons qui s'articulent autour de l'escalier central.
Si l'escalier en vis est un choix français, la structure particulière de celui de Chambord a sans doute été inventée par Léonard. Il s'agit d'un escalier à doubles révolutions, deux montées se superposent qui permettent à deux personnes de monter et descendre sans se rencontrer.
La cage est complètement ouverte, comme celle de l'escalier François Ierà Blois, si bien que toute la structure est transparente.
Un premier projet prévoyait un plan sensiblement différent, avec un escalier droit qui aurait occupé l'un des quatre bras de la croix qui sépare les appartements.
Les travaux se poursuivent par la construction de l'aile est jusqu'en 1544.
C'est là que se trouve l'appartement royal, les pièces privées du roi occupant la tour nord-est de l'enceinte et la salle le premier étage de l'aile.
Le logis du roi fait pendant à la chapelle, située dans l'aile ouest et commencée dans les années 1545-1550, qui ne s'achèvera que sous Louis XIV.
La circulation est assurée par un système de longues galeries extérieures à arcades qui se développent le long des façades et relient les ailes et le donjon. Les deux tours initialement prévues du côté sud de l'enceinte n'ont jamais été élevées.
Des fossés devaient entourer le château, seuls ceux du nord et de l'est ont été creusés.
Le décor reste sobre sur les façades, impeccablement quadrillées par les pilastres et les corps de moulures horizontaux. Les trumeaux sont délicatement encadrés d'une mouluration, comme dans l'aile François 1er à Amboise et à Blois.
L'ornementation se fait plus abondante dans les parties hautes.
Au-dessus du donjon, une lanterne couronne le grand escalier, surmontée d'une étroite tourelle, puis d'un lanternon.
Les superstructures constituent en elles-mêmes un décor qui naît du foisonnement des formes : candélabres, souches de cheminées, lucarnes et toitures multiples. Tout ce mouvement architectural s'accompagne de sculptures et d'un jeu de polychromie où l'ardoise dessine des losanges et demi-losanges qui font écho à la géométrie impeccable de l'architecture.
À l'intérieur, les chapiteaux de l'escalier s'animent de figures d'angle plus surprenantes les unes que les autres. On voir surgir des putti, des lézards, et même un cheval qui jaillit
hors de la corbeille.
Les corbeilles des chapiteaux forment des ressauts sur lesquels le décor se développe de façon continue, à la manière d'une frise.
Dans les parties plus tardives, l'emploi des ordres apparaît, d'abord dans l'escalier qui mène à l'appartement du roi dans l'aile est, orné de chapiteaux corinthiens, puis dans l'aile ouest où se superposent les ordres dorique, ionique et corinthien.