Starą fortecę zburzono, a na miejscu młyna na dwóch potężnych słupach wbitych w dno rzeki wzniesiono prostokątną budowlę z białego wapienia, oflankowaną w narożnikach czterema wieżami. Prace wykończeniowe trwały do 1521.
Diana de Poitiers W 1535 posiadłość została przejęta przez króla Franciszka I, który przeznaczył ją na zamek myśliwski. Syn Franciszka, Henryk II, zaraz po wstąpieniu na tron w 1547 ofiarował Chenonceau jako darowiznę swojej faworycie Dianie de Poitiers.
Diana niezwykle dbała o zamek i świetnie nim zarządzała. W 1551 na przylegającym do rezydencji terenie założyła wspaniały ogród z fontanną i parkowym labiryntem. Ogromne koszty budowy ogrodu pokryła ze środków otrzymanych od króla. Diana doprowadziła również do wzniesienia mostu, łączącego obydwa brzegi rzeki Cher. mały|Współczesny rysunek tuszem przedstawia zamek po wybudowaniu mostu, ale przed wybudowaniem galerii mały|Widok na zamek od strony rzeki Katarzyna Medycejska Po śmierci Henryka II w 1559 zamek przeszedł w ręce wdowy po nim, królowej Katarzyny Medycejskiej, która wzięła odwet na wieloletniej kochance swego męża i odebrała jej ukochaną posiadłość, oddając w zamian majątek Chaumont.