Jan III Sobieski posiadał Żółkiew od 1662 roku, ale zamek przebudował dopiero po 1674 roku otrzymaniu korony królewskiej. Prace były prowadzone pod kierunkiem Piotra Bebera, a wnętrza, nową galerię i portyk kolumnowy z dwubiegowymi schodami zaprojektował prawdopodobnie Augustyn Locci. Zbudowano dwa wieżowe alkierze od strony ogrodu, które miały pierwotnie otwarte podcienia na parterze. Za czasów Sobieskich zamek został przebudowany na wspaniałą rezydencję godną monarchy. M. in. w tym czasie zbudowano przy prawym skrzydle kaplicę.
Po śmierci w 1738 roku Jakuba Ludwika Sobieskiego, w latach 1740–1787 zamek należał do rodu Radziwiłłów, ponieważ żoną wojewody wileńskiego i hetmana polnego litewskiego Michała Kazimierza (zm. 1680) była Katarzyna, siostra króla Jana III. Po 1740 roku hetman wielki litewski Michał Kazimierz Radziwiłł zwany "Rybeńko" zlecił wykonać kolejną przebudowę. Za jego czasów powstał kolumnowy portyk i pomysł ustawienia w nim sześciu rzeźb, co zrealizowano w latach 1741–1742 pod kierunkiem Antonio Castello. Na schodach do portyku na dziedzińcu zamku postawiono sześć rzeźb przedstawiających: Jana Daniłowicza, Hieronima Radziwiłła, Karola Radziwiłła, Jakuba Sobieskiego, Jana III Sobieskiego, Stanisława Żółkiewskiego. Projektant Antonio Castello odbudował także spalone wieże i zbudował pomarańczarnię oraz oficynę.