Les extérieurs :

Du château médiéval subsiste essentiellement le gros donjon cylindrique bâti dans la première moitié du XVe siècle. La tour imposante, même aux premières heures de la Renaissance, constituait encore dans l'esprit commun un signe de puissance. C'est sans doute la raison pour laquelle Thomas Bohier et son épouse, Catherine Briçonnet, gardèrent ce vestige des anciens temps. Elle trône à l'angle sud-ouest de la terrasse précédant le palais du XVIe siècle. A noter qu'elle fut toutefois copieusement modifiée et porte les initiales TBK (Thomas Bohier et Katherine).

La partie la plus ancienne du palais (outre le donjon) est constituée d'un pavillon rectangulaire érigé sur les soubassements de l'ancien moulin banal, directement plantés dans le lit du Cher. Il est cantonné aux angles de tourelles cylindriques en encorbellement. Sur la façade orientale, la librairie et le chevet de la chapelle forment saillie. L'ensemble reste cependant d'une grande symétrie et d'une parfaite harmonie. Derrière ce corps principal s'étire le pont-galerie, commencé par Diane de Poitiers et achevé par Catherine de Médicis. Il s'élève sur trois niveaux, le dernier étant sous combles percés de lucarnes. Diane fit également installer une grande terrasse rectangulaire portant un magnifique jardin vers le levant. L'ensemble est cerné des eaux de plusieurs canaux et de celles du Cher.
Chenonceau est un diamant serti dans un site naturel de premier ordre, avec les ondes paisibles du Cher pour miroir éternel et les frondaisons d'arbres séculaires comme écrin de verdure. Le vol du temps, selon le vœu du poète, y est suspendu depuis des lustres.

Les intérieurs :

Les murs portent de nombreuses tapisseries, des toiles de maîtres et chaque pièce abrite un riche mobilier ancien.

Dans les soubassements de l'ancien moulin furent installées les cuisines et diverses pièces réservées à l'office. Un petit accès donnant sur le Cher permettait d'alimenter le château depuis la rivière.

Au rez-de-chaussée, un long vestibule forme un couloir. Il est couvert de curieuses voûtes d'ogives dont les clefs ne sont pas alignées. Les liernes dessinent donc une longue ligne brisée particulièrement originale. Ce vestibule dessert notamment la salle des Gardes, la chambre de la favorite Diane de Poitiers et le cabinet Vert de Catherine de Médicis. De cet endroit, l'omnipotente reine prit maintes décisions concernant le gouvernement de la France. Au rez-de-chaussée également, nous trouvons la chapelle castrale, de style encore gothique. Elle perdit malencontreusement ses vitraux d'origine durant la Seconde Guerre Mondiale. Enfin, au même niveau, se situe la vaste salle de bal dressée sur le pont enjambant le Cher. Longue de 60 m et large de 6 m, elle reçut un magnifique dallage à damier alternant le tuffeau (blanc) et l'ardoise (noire). Le plafond laisse apparaître les solives du plancher du niveau supérieur. Pas moins de 18 larges fenêtres y laissent de part et d'autre pénétrer la lumière du jour. Achevée en 1577, elle fut inaugurée la même année en présence de Henri III et de son épouse, Louise de Vaudémont-Lorraine.

Les étages supérieurs sont desservis par l'un des tous premiers escaliers à rampes droites de l'architecture françaises. Ces rampes sont disposées les unes sur les autres. Les escaliers de Chenonceau témoignent de la pénétration précoce de l'art italien en France. Ils sont antérieurs de quelques années à ceux d'Azay-le-Rideau.
Le premier étage possède également un vestibule/couloir, dit " vestibule de Catherine Briçonnet ", couvert par le plancher à solives de l'étage supérieur. S'articulent autour de ce lieu de passage obligé, la chambre de Catherine de Médicis avec son cabinet des Estampes, la chambre de César de Vendôme (fils du roi Henri IV et de sa favorite Gabrielle d'Estrée), la chambre de Gabrielle d'Estrée, et pour finir la chambre des cinq reines, toutes filles ou belles-filles de Catherine de Médicis ayant séjourné à Chenonceau : la reine Margot (fille de Henri II et de Catherine de Médicis, épouse de Henri IV), Marie Stuart (épouse de François II, décapitée sur ordre de la reine d'Angleterre Elizabeth I en 1587), Elisabeth d'Autriche (Fille de Maximilien II de Habsbourg et épouse de Charles IX), Elisabeth de France (fille de Catherine de Médicis et de Henri II, épouse du roi d'Espagne Philippe II) et Louise de Vaudémont-Lorraine (épouse de Henri III).

Le premier niveau du pont-galerie abrite une seconde grande salle.
Le dernier étage abrite notamment un vestibule restauré au XIXe siècle par un disciple d'Eugène Viollet le Duc, et surtout la chambre de Louise de Vaudémont. C'est là que la reine éplorée passa le reste de sa vie à prier pour le repos de l'âme de son époux, le roi Henri III. Le plafond est décoré de motifs macabres rappelant la douleur de la jeune femme. Il existait à la Renaissance, logeant sous les combles du pont galerie, une petite communauté de moniales capucines.