Comme tous les grands chantiers princiers de la Renaissance, Anet mobilisa les noms les plus prestigieux de l'époque. Philibert Delorme (1515-1570), actif aussi à Fontainebleau et aux Tuileries, fut l'architecte principal. Le sculpteur Jean Goujon, l'émailleur Léonard Limosin, l'artiste aux multiples talents Benvenuto Cellini, la faïencier Masséot Abaquesne, purent également laisser parler leur imagination.

Un large fossé inondable cernait le palais et ses jardins. Ces derniers étaient circonscrits sur quatre côtés par une galerie détruite au XVIIe siècle. Le corps principal formait un U articulé autour d'une cour d'honneur. Les ailes orientales et septentrionales ont disparu. Seule l'aile occidentale est parvenue jusqu'à nous. Sa façade d'une grande sobriété cache l'escalier d'honneur, édifié par le duc de Vendôme au XVIIe siècle. Cet escalier monumental emmène vers la salle des gardes, où sont exposées plusieurs tapisseries venues des ateliers de Fontainebleau. Non loin de là, la chambre de Diane a fait l'objet d'une restitution, avec notamment un lit de parade portant des croissants sculptés, symboles de Diane chasseresse.

Face à l'aile ouest subsiste la chapelle castrale en forme de croix grecque, terminée en 1549. Le gothique n'est plus de mise, comme à Ecouen ou Blois. Philibert Delorme a signé ici une oeuvre directement inspirée par son temps, en laissant la prédominance aux formes circulaires considérées comme les plus pures. La décoration surprend par son raffinement. La coupole à caissons aspire le regard vers les sphères élevées, incarnant l'immensité de l'univers. Les motifs au sol procurent un sentiment similaire. Cette chapelle était autrefois collée à l'aile orientale et Diane de Poitiers pouvait, depuis ses appartements, accéder à la tribune afin d'entendre la messe. La destruction de cette aile entre 1804 et 1811 obligea l'architecte Caristie à élever une façade très sobre après 1840.

Entre 1567 et 1570, fut édifiée par Claude de Foucques la chapelle funéraire de Diane de Poitiers. Elle passa commande au sculpteur Pierre Bontemps d'un monument éternel à sa gloire. L'artiste la représenta agenouillée en prière (marbre blanc) sur un sarcophage de marbre noir. L'ensemble était achevé en 1577. La sépulture ayant fait l'objet de profanations à la Révolution, les restes de la favorite furent transportés en l'église paroissiale d'Anet.

L'entrée principale, achevée en 1552, possède un étonnant portail central à colonnes doriques et trois portes. On remarque de chaque côté l'existence de doubles canonnières en forme d'entonnoir. Il ne s'agit pas là de dispositions défensives véritablement opérationnelles, mais plutôt d'une survivance, tout comme les fossés, de la symbolique médiévale du pouvoir attachée à ce type d'aménagement. Le portail est surmonté d'une horloge. Elle animait autrefois les statues d'un cerf aux abois et de quatre chiens de chasse.

De l'état exact du château d'Anet au XVIe siècle, nous ne possédons plus que les planches d'Androuet du Cerceau. Elles nous permettent de mesurer l'ampleur des destructions perpétrés par de peu scrupuleux hommes d'affaires.