La partie centrale du château de Chambord est le donjon.
Ce bâtiment carré cantonné de quatre tours d’angle occupe le centre du complexe actuel. Il constitue à lui seul le nouveau palais de François Ier au commencement des travaux. Ce n’est qu’à partir de 1526 environ (marquant le retour du roi de France de deux ans de captivité à Madrid à la suite de la défaite militaire de Pavie) que l’édifice s’enrichit de deux bâtiments latéraux et d’une enceinte fermant la cour.
La composition interne du donjon est d’une ordonnance inédite en France et constitue un trait d’italianisme indéniable. Il s’agit d’un plan centré en croix grecque : les quatre faces du bâtiment s’ouvrent sur de grandes salles de 9 m de large et 18 m de long formant une croix grecque. Au centre se déploie le monumental escalier à doubles-révolutions. Enfin, la salle en croix détermine dans les angles des cantons d’habitations constitués de logis standardisés.
L’ornementation des parties hautes du donjon et du château, hérissées de cheminées et de tourelles d’escalier, évoquent le style des châteaux forts.
Pourtant, à l’époque de la construction du château de Chambord, ces formes traditionnelles de l’architecture médiévale sont depuis longtemps caduques. En effet, dès le milieu du XVe siècle, les progrès réalisés dans le domaine de l’artillerie avaient rapidement rendu les châteaux forts obsolètes. La persistance d’éléments architecturaux médiévaux du château de Chambord n’est pourtant pas à considérer comme le résultat d’une lente évolution des habitudes des constructeurs. Au contraire, le donjon du château de Chambord, ses tours d’angle, son enceinte et ses douves en eau évoquent une puissance militaire toute allégorique, à défaut d’être réelle. Plus de trente ans après la fin de la construction des derniers châteaux forts, ces éléments constituent de véritables citations architecturales d’un autre temps. Ils évoquent alors, aux yeux des contemporains de François Ier, le monde périclitant de la chevalerie, dont le jeune souverain, dernier roi-chevalier, garde une profonde nostalgie.