Chambord est sans conteste un des châteaux à la silhouette la plus reconnaissable, et constitue l'un des chefs-d'œuvre architecturaux de la Renaissance : 156 m de façade, 426 pièces, 77 escaliers, 282 cheminées et 800 chapiteaux sculptés.
Le nom de l'architecte nous est inconnu, mais des analyses montrent l'influence de Léonard de Vinci, qui travaillait alors comme architecte de la cour de François Ier, mais qui mourut quelques mois avant le début du chantier en 1519 au Clos Lucé (Amboise), ainsi que celle de Domenico da Cortona.
La construction a débuté en 1519. Le chantier de Chambord fut l'un des plus importants chantiers de la Renaissance. Il fallut environ 220 000 tonnes de pierres. À défaut de pouvoir dévier le cours de la Loire, selon le vœu de François Ier, on se résoudra finalement à détourner le Cosson par un canal qui alimente les douves.
La vie y était rude, d'autant plus que le château a été construit sur des marécages, beaucoup d'ouvriers moururent de la fièvre. Les charpentiers ont enfoncé des pilots de chêne jusqu'à 12 mètres de profondeur, afin d'établir les fondations du château sur un solide pilotis au-dessus de l'eau. Des fouilles préventives réalisées en février 2007 ont néanmoins révélé que la tour sud-ouest s'appuie sur un enrochement calcaire, elles ont aussi mis au jour une structure circulaire en moellons, vestiges d'une tour du château médiéval qui s'y élevait avant la construction de l'actuel château.
Des chariots arrivent du port de Saint-Dyé pour décharger tous les matériaux et en particulier la pierre de tuffeau utilisée pour la construction, c'est une pierre blanche, tendre et friable. Les tailleurs de pierre, comme les autres ouvriers, n'ont pas de salaire fixe et sont payés « à la tâche » : ce sont des tâcherons. Sur chacune des pierres qu'ils taillent, ils gravent leur marque. Cette signature permet au trésorier d'évaluer leur travail et de les payer ; on la retrouve sur certaines pierres n'ayant pas été graffitiées par la suite lors de l'ouverture du château au public.
Le plan du château repose sur un corps central parfaitement carré, appelé le donjon car même s'il n'a jamais eu aucune vocation à la défense, le château de Chambord est construit sur le modèle des châteaux forts du Moyen-Âge, avec cependant la particularité humaniste d'une rigoureuse orientation des diagonales de son donjon suivant les axes nord-sud et est-ouest ; ses tours marquant exactement les quatre points cardinaux. À l'intérieur du donjon, on trouve cinq niveaux habitables. Il y a quatre appartements carrés et quatre appartements dans les tours rondes par niveau. Entre les appartements, quatre couloirs, venant des « quatre parties du monde » (découpées par les deux axes nord-sud et est-ouest) mènent à l'escalier à double révolution au centre. Le roi François Ier, dans un second temps, étend le château d'un quadrilatère et abandonnant le canton [le quart] nord, installe ses appartements (plus vastes) dans l'aile nord. Une chapelle est construite dans l'aile occidentale, dont l'entrée ouvre plein est. Elle est achevée par Jean le Humble sous le règne de François Ier. Cette position de la chapelle est rare pour l'époque : car si le roi avait voulu se placer en direction de Jérusalem, pour montrer qu'il est le détenteur du pouvoir spirituel dans son royaume, il se serait installé dans la partie est. Or c'est là qu'il a logé Charles-Quint en décembre 1539.
On dit que François Ier et son ami Jean le Humble voulaient également détourner la Loire et la faire passer devant le château, mais le projet a été abandonné.
L'escalier à double révolution placé [Ou double Vis] au centre de l'édifice est attribué au polymathe italien Léonard de Vinci. Comme son nom l'indique, il comporte deux volées d'escaliers suivant un schéma de double hélice. Il permet d'accéder à la grande terrasse, elle aussi inspirée par Léonard, et qui offre une vue sur les cheminées en faisant le tour du donjon. Cet escalier est surmonté d'une tour-lanterne bien reconnaissable de l'extérieur.
Le deuxième étage est également remarquable par ses voûtes à caissons représentant les symboles royaux (monogramme F couronné et salamandre), accompagnés d'une cordelette nouée, emblème de sa mère, Louise de Savoie. Certains monogrammes de l'escalier à hauteur des terrasses sont tracés à l'envers de manière à ce que Dieu du haut du ciel voie la puissance du Roi !
Arrivé sur la terrasse, le visiteur peut remarquer que l'escalier est surmonté d'une tour-lanterne, elle s'élève à 32 mètres et surmonte toutes les cheminées de Chambord. Son sommet est coiffé d'une fleur de lys (symbole de la monarchie française).