１１３７年の国王憲章から１８７０年の第２帝政の没落まで、フォンテーヌブロー宮殿はフランスの最も重要な時代に立ち会ってきた。

フランソワ１世の命により、昔の中世の要塞はルネサンス様式の宮殿に変身した。この時代、二人のイタリア人芸術家プリマティッチョとロッソはその才能を競い合い、ここで第１期「フォンテーヌブロー派」が形成された。

王の住居棟と三位一体礼拝堂をつなぐフランソワ１世の回廊は、羽目板にフレスコ画やスタッコの彫刻、君主の栄光を称えた木彫細工を施すという装飾パターンを展開した。

舞踏会の広間はプリマティッチョの指導の下、ヴァロア王朝時代の最後に完成した。アンリ４世とともに、ブルボン王朝に入ってからも工事は続けられ、内装の装飾は新しい構造を取り入れた「第２期フォンテーヌブロー派」の芸術家たちに任せられた。ルイ１３世によって、父が手がけた工事を完了させられた。太陽王ルイ１４世治世時代もこの城はよく使われ、１６６１年の太子の誕生、国王の姪の結婚式、１６８５年におけるナントの勅令の廃止はこのフォンテーヌブローで行われた。

ルイ１５世とルイ１６世は、秋にここに滞在しており、新たな大工事と室内装飾の美化の発端となった。革命後、ナポレオン１世が来たときには宮殿は全く空の状態であったが、城には手がつけられておらず元のままだった。彼は家具調度品を新調して、自分のお気に入りの住居にするために宮殿内を改装した。