Certains des plus grands architectes et artistes de la Renaissance se sont affairés à Ecouen : Jean Bullant, Bernard Palissy, Masséot Abasquene, Jean Goujon et peut-être Nicolo Dell'Abbate.

Le château est planté sur le flanc d'une colline dominant la plaine de France. Il forme un quadrilatère cantonné aux angles de pavillons rectangulaires surélevés et en légère saillie. Il est cerné sur les côtés est, sud et ouest, par de larges fossés secs, autrefois enjambés à l'est et à l'ouest par des ponts-levis. Il n'y a en revanche aucun aménagement de ce type au nord, la pente de la colline étant suffisamment dissuasive.

Le palais s'agence autour d'une vaste cour carrée. Les ailes nord et sud étaient dévolues à l'habitation. La première abritait les somptueux appartements royaux, avec une grande salle de réception, la seconde, ceux du connétable et de son épouse. Chacune possède un bel escalier à rampes droites superposées, de nombreuses peintures murales représentant essentiellement des scènes bibliques sur fond de mythologie antique, des majoliques... L'aile ouest cache une longue galerie de réception appelée galerie de Psychée. L'aile orientale enfin, n'avait aucune destination résidentielle, mais comportait à l'origine un portail monumental. Elle fut abattue en 1787 sur instruction des Condé qui désiraient jouir d'une vue dégagée sur la campagne. Elle est clairement détaillée dans les gravures d'Androuet du Cerceau. Elle fut remplacée sous le Premier Empire par l'actuelle entrée, œuvre de l'architecte Peyre. Il nous faut noter que la chapelle, ainsi que de nombreux édifices religieux du XVIe siècle, a conservé une architecture de style gothique comme à Blois. Les vitraux et l'autel de Jean Goujon ont été déplacés à Chantilly.

Les façades donnant sur la cour sont d'une grande sobriété. Il est possible de lire la chronologie du chantier sur les lucarnes du second niveau. Les plus sobres sont également les plus anciennes. Les plus récentes ont fait l'objet d'un raffinement décoratif particulier. Au centre de l'aile sud enfin, se dresse un monumental portail de style grec, dit " Portail des Esclaves ", dû à Jean Bullant. La porte ouvrant sur l'escalier est enserrée entre deux paires de colonnes corinthiennes cannelées. Des niches basses abritaient autrefois deux statues de Michel Ange. Le pape Jules II (1503-1513) les avait commandées au célèbre artiste toscan pour orner son tombeau. L'ensemble ne fut jamais achevé et Robert Strozzi, membre d'une riche et illustre famille florentine, les offrit au roi François Ier. Son fils Henri II les donna à Anne de Montmorency. Les deux statues figurent aujourd'hui au musée du Louvre.