Nad wejściem do niego od strony dziedzińca zachowała się tablica erekcyjna Zygmunta Starego z datą 1520, napisem „SIGISMUNDUS DEI GRACIA / REX POLON[IE MAGNUS DUX] LITWANIE / RUSIE / PRUSIE ... DOMIN[US ET HAERES] ANNO DOMINI / MILLESIMO QVINGE[NTESIMO XX]” i kartuszem z orłem zygmuntowskim. Elewacja tego fragmentu wykonana była ze specjalnie wypalanej cegły zendrówki, układanej w romby. W tym czasie powstały też dwukondygnacyjne arkadowe krużganki wokół otoczonego trzema skrzydłami dziedzińca. 12 lutego 1548 roku starosta sandomierski Jan Tarnowski wyprawił na zamku wesele Elżbiecie Szydłowieckiej z Mikołajem Radziwiłłem Czarnym, w którym wziął udział król Zygmunt August i królowa Bona Sforza.
Kolejna rozbudowa została przeprowadzona pod kierunkiem mistrza Klimunta w latach 1564–1566 w czasach panowania króla Zygmunta Augusta. Dokończono wtedy budowę skrzydła zachodniego poprzez jego wydłużenie, zbudowano północno-zachodnią wieżę, postawiono mur od strony miasta i nową bramę. Zamek po tej rozbudowie składał się z trzech skrzydeł: wschodniego, południowego (od strony Wisły) i zachodniego (jedynego zachowanego do dzisiaj), a od miasta oddzielał go mur z renesansową bramą. Zamek w tym czasie był siedzibą królewskiego starosty, sądu ziemskiego i grodzkiego ziemi sandomierskiej oraz sądu wyższego prawa magdeburskiego dla miasta.