De la forteresse du XIIIe siècle ne subsistent que la salle des Etats au nord, ancienne grande salle du château et la tour cylindrique de Foix au sud. La grande salle atteint des dimensions prodigieuses et est composée de deux nefs séparées par des piliers centraux. Elle est lambrissée et présente des traces importantes de polychromie.

A l'orient s'élève derrière une grande esplanade l'aile Louis XII, construite en briques rouges à chaînages de pierres blanches. Dans une niche au-dessus de l'accès principal domine une statue équestre du roi, copie d'un original perdu réalisée au XIXe siècle. Les initiales du souverain ainsi que le porc-épic, son animal fétiche, se retrouvent un peu partout dans le bâtiment. L'hermine bretonne et les initiales d'Anne de Bretagne ne sont pas en reste. Les pièces sont desservies par un couloir, agencement pratiquement inconnu dans l'architecture médiévale. Cette simple disposition permettait une plus grande intimité : nul n'avait besoin de traverser tous les volumes disposés en enfilade pour se rendre d'un point à un autre.

Au nord s'élève l'aile François Ier. Elle colle à la salle des Etats et est surtout fameuse pour son magnifique escalier monumental. Il surprend par son ampleur et la finesse de ses sculptures. A l'intérieur du bâtiment est aménagé un riche musée, comprenant notamment un passionnant historique du site, des œuvres lapidaires, des monnaies anciennes en or et une collection de tableaux consacrés à l'assassinat du duc de Guise. C'est au second étage, dans la chambre du roi, qu'eût lieu ce célèbre événement.
L'aile ouest construite par Gaston d'Orléans, affiche cette sobre façade propre aux édifices classiques tel Cheverny. L'escalier intérieur offre une intéressante perspective symétrique.
La chapelle Saint-Calais enfin, édifiée par Louis XII, est aujourd'hui amputée de sa nef.