De la forteresse médiévale subsiste le donjon polygonal du XIIe siècle ( ?), totalement modifié par les propriétaires successifs. Il possède encore une jolie couronne de mâchicoulis ornés de motifs trilobés (seconde moitié XIVe-début XVe siècle).

Le château Renaissance dessine un U autour d'une cour d'honneur avec galerie à arcades en rez-de-chaussée. Des pavillons carrés trônent à chaque extrémité. Les couvertures sont en ardoise. Par son ordonnancement relativement sobre, l'abandon des mâchicoulis décoratifs, des ornements du type pinacles ou clochetons, son plan sans formes rondes, Villandry tranche nettement avec les réalisations antérieures, telles Azay-le-Rideau ou Chambord. Il annonce déjà, par bien des aspects, la seconde Renaissance française et préfigure à ce titre les châteaux d'Anet et de Fontainebleau. Les nombreuses fenêtres possèdent un meneau et un croisillon. Les lucarnes sont décorées d'un galbe sculpté du plus bel effet. On peut découvrir dans les anciens logis une riche collection de toiles de l'école espagnole.

La place est bordée au nord et à l'ouest par des douves en eau, restituées par le docteur Carvallo au XXe siècle. Les jardins s'étendent au sud et à l'ouest. C'est depuis le sommet du donjon que la vue d'ensemble s'avère la plus extraordinaire. Le regard embrase le canal traversant le parc, comprenant notamment le jardin d'ornement, le jardin d'eau, le jardin des simples (herbes aromatiques et médicinales), le potager, ainsi qu'un labyrinthe. Le tout a été restitué dans l'esprit Renaissance, par la seule volonté et l'abnégation du docteur Carvallo au début du XXe siècle. Des allées sous tonnelles, des belvédères et plusieurs points de vue permettent d'observer cette réalisation hors norme sous tous les angles.