Planté sur une île au milieu de l'Indre, le château est constitué de deux corps de logis disposés en équerre. Tous les angles sont flanqués de fines tourelles en surplomb terminées par des toitures en poivrière. L'aile ouest s'appuie sur une tour cylindrique plus massive et austère, rappelant les origines féodales de la demeure. Les façades de la cour intérieure sont organisées symétriquement et donnent une belle impression d'harmonie, renforcée par une très riche ornementation.

Sur tout son pourtour le palais est doté d'un chemin de ronde sur mâchicoulis. Il ne faut pas considérer cet attribut classique des forteresses médiévales comme l'immanence d'un quelconque système défensif. C'est davantage vers la symbolique de la puissance que nous devons rechercher la finalité de tels aménagements à une époque aussi tardive. Au milieu du XVIe siècle encore, Diane de Poitiers procédera de manière identique à Chaumont-sur-Loire (après 1560).

Au centre de l'aile principale trône un splendide escalier à loggias aménagées sur trois niveaux, à chaque demi-palier. Il n'est plus à vis et en saillie (Blois), mais inséré dans la façade et à rampes droites. On y trouve sculptée à plusieurs reprises, comme à Chambord et à Blois, la salamandre, emblème du roi François Ier. Il s'agit là d'un hommage direct de Gilles Berthelot à son souverain. En bon courtisan, le trésorier a également pris le soin de faire graver l'hermine, emblème de Claude de France, épouse de François Ier. C'est une forme d'allégeance que l'on retrouve couramment dans les constructions non royales dès le XVe siècle (Palais Jacques Cœur de Bourges par exemple). Les plafonds de cet escalier sont ornés de caissons. Certains proposent les portraits de différents rois de France (XIXe siècle).

Le rez-de-chaussée est légèrement surélevé. A l'origine réservé à la domesticité et aux offices, il fut aménagé au XIXe siècle par les marquis de Biencourt successifs en espace d'habitation. On y trouve notamment une bibliothèque, une petite salle à manger, l'ancienne cuisine, une salle de billard et un salon. L'endroit le plus étonnant, de par sa structure, est l'ancien passage qui traversait l'aile ouest, de la cour intérieure jusqu'aux jardins renaissance. Une belle porte y donne accès. Le plafond est voûté. Clefs pendantes, liernes, tiercerons et culots sculptés d'animaux et de personnages divers, lui confèrent un esthétisme indéniable.

L'escalier emmène ensuite vers le premier niveau d'habitation, l'étage noble. Dans l'aile orientale, au premier étage, s'ouvrent les appartements royaux avec une antichambre et une chambre. Louis XIII y séjournera en 1619. Face à ces appartements, on découvre la grande salle d'apparat, ornée de belles tapisseries (du XVIe au XVIIe siècle) et dotée d'une cheminée monumentale sur laquelle est peinte en trompe-l'œil une nouvelle salamandre. La devise de François Ier, " nutrisco et extingo " (" Je nourris - les bons - et j'anéantis - les mauvais ", aujourd'hui devise de la ville du Havre) y est également inscrite. Cette grande salle était la pièce de vie du château, lieu de toutes les festivités mais aussi de règlement des affaires. L'aile occidentale enfin, abrite les appartements seigneuriaux avec une chambre de parement (chambre bleue), une chambre de retrait (cabinet) et la chambre seigneuriale, toutes trois disposées en enfilade.
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