Dekorację stiukową galerii wykonał w latach 1522–1540 Rosso Fiorentino.

Franciszek I zatrudnił również architekta i teoretyka sztuki Sebastiana Serlia oraz malarza Leonarda da Vinci. Włoski rzeźbiarz i złotnik Benvenuto Cellini wykonał tu w latach 1542–1544 Nimfę z Fontainebleau, która zdobiła główną bramę rezydencji. Za panowania następcy Franciszka I, Henryka II, powstały malowidła w Sali Uczt (Salle des Fêtes), wykonane przez włoskich manierystów Francesca Primaticcia i Niccola dell’Abbate.

Kolejna faza rozbudowy rezydencji przypada na okres panowania wspomnianego Henryka II i jego żony Katarzyny. Wzniesiono wówczas Salę Balową oraz schody od strony Dziedzińca Białego Konia prowadzące do wschodniego skrzydła.

Za panowania Henryka IV powstały zabudowania wokół Dziedzińca Książąt, mieszczące m.in. Bramę Chrztu, Galerię Diany z Poitiers i Galerię Jeleni, w której urządzono bibliotekę. Do prac zatrudniono architektów Philiberta Delorme’a i . W latach 1606–1609 w stylu manierystycznym wzniesiono na wschód od Cour Ovale trzy skrzydła zabudowań administracyjnych, gospodarczych (m.in. kuchnie królewskie) i prywatnych zwane Kwartałem Henryka IV (Quartier Henri IV). Przy urządzaniu i dekoracji wystroju wnętrz działali artyści reprezentujący tzw. drugą szkołę Fontainebleau.