Au centre, le corps de logis principal s’impose par sa masse cubique à quatre tours massives aux angles.
Il est appelé « donjon » en référence aux châteaux médiévaux, symbole de puissance militaire.
À l’intérieur, quatre larges vestibules forment un plan en croix grecque, dont le centre est occupé par le célèbre escalier à double révolution. Ce plan centré est tout à fait inédit en France pour un palais royal, le plan en croix étant habituellement celui des édifices religieux. Cette autre référence marque dans l’architecture la condition sacrée du roi de France.
Ce plan en croix détermine ainsi dans le donjon quatre quartiers d’habitation absolument similaires à chaque étage. Seules se distinguent les deux ailes opposées : l’aile royale située vers l’Est et l’aile de la Chapelle située vers l’Ouest. Ces deux parties sont accessibles depuis la cour par des escaliers d’angle ajourés ou par des galeries aux étages.
La visite s’ordonne donc principalement en visitant les trois étages du donjon, en suivant l’ascension du grand escalier central, et les ailes en parcourant les galeries qui les lient au donjon.
Les bâtiments qui ferment la cour forment une enceinte basse dont la couverture et l’usage ont varié au fil des siècles : à l’origine terrasses couvrant des cuisines et des pièces de service restées inachevées, ils furent mansardés du XVIIe au XIXe siècle afin d’abriter les domestiques au-dessus des cuisines et des écuries.