La caractéristique principale de ce chateau est le gigantisme, comme l’attestent les chiffres impressionants qu’il décline : 1800 ouvriers et 220 000 tonnes de pierres, ainsi que détournement d’une rivière pour alimenter les douves : le Cosson.
Les résultats impressionnants de ce chantier hors norme sont à sa mesure : près de 300 cheminées, pour 160 mètres de façade, surmontées de 800 chapiteaux sculptés, pour abriter pas moins de 450 pièces reliées par plus de 70 escaliers !
Malgré l’absence de traces écrites, il est probable que les architectes furent Léonard de Vinci, puis son assistant Dominique de Cortine. Le Roi François 1er étant lui-même présent lors de toutes les phases-clef de la conception.
Le plan initial comportait une structure parfaitement symétrique dite « en croix grecque », avec en son centre un escalier célèbre à double volées, permettant à deux personnes de monter simultanément sans jamais de croiser. Cet escaluer est surplombé à l’extérieur par une tour-lanterne qui domine l’ensemble de l’édifice.
Chacun des 5 étages comportent quatre appartements carrés et quatre appartements dans les tours rondes placées aux quatres points cardinaux.
Autour de ce corps central, conçu initialement comme bâtiment unique du château, sont finalement ajoutées deux ailes, ainsi qu’un enclos, rapelant la disposition des chateaux du Moyen Age.