Grodzkiej.
Faza renesansowa W latach 1510–1515 na polecenie króla Zygmunta Starego zamek został przebudowany i rozbudowany w stylu późnogotycko-renesansowym przez starostę radomskiego Mikołaja Szydłowieckiego. Przebudowa miała na celu stworzenie wygodnej rezydencji, w której król mógłby zatrzymywać się w czasie swoich podróży z Krakowa do Wilna. Przypuszczalnie wtedy ozdobiono zamek późnogotycką kamieniarką, której fragmenty odkryto podczas prac archeologicznych. Po przebudowie rezydencja królewska miała kształt trójkondygnacyjnego podłużnego budynku z kamiennymi krużgankami i dekoracją gotycko-renesansową. W miejscu obrad sejmu w 1505 r. powstało znane z ostatnich wykopalisk pojedyncze skrzydło oraz wieża mieszkalna w typie wieży w Piotrkowie Trybunalskim, przypuszczalnie zwieńczona później attyką. Wieża w Radomiu musiała być na tyle wygodną rezydencją, że poza Krakowem, Wilnem i Piotrkowem, tylko w Radomiu król Zygmunt Stary zatrzymywał się na dwa–trzy tygodnie. W tym czasie w narożniku zamku od strony murów miejskich powstała Wieża Biała o szerokości od czoła 11 metrów.
W latach 1563–1566 zamek był przymusowym miejscem pobytu Katarzyny Habsburżanki, odsuniętej przez męża Zygmunta Augusta.